WO2011160794A1 - Piezoresistive force sensor - Google Patents

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WO2011160794A1
WO2011160794A1 PCT/EP2011/003003 EP2011003003W WO2011160794A1 WO 2011160794 A1 WO2011160794 A1 WO 2011160794A1 EP 2011003003 W EP2011003003 W EP 2011003003W WO 2011160794 A1 WO2011160794 A1 WO 2011160794A1
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WO
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force sensor
electrode
sensor
piezoresistive
substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/003003
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hannes Wagner
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Publication date
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Publication of WO2011160794A1 publication Critical patent/WO2011160794A1/en

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    • 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
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • 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
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing

Definitions

  • the invention also relates to advantageous use fertilize the force sensor according to claims 8 and 9 and a method for providing a force sensor according to the claim 10.
  • Piezoresistive force sensors can be used to measure mechanical forces, pressures or moments.
  • DE 102 43 095 B4 it is proposed to provide a rolling bearing with such force sensors in order to realize an integrated state measurement of the rolling bearing.
  • the force sensors are integrated by direct coating of a part of the rolling bearing in the rolling bearing.
  • Such a direct coating of complex components requires a special manufacturing and process technology in component manufacturing, which is more expensive than the current, existing manufacturing and processing technology for the complex component without force sensors.
  • a practical realization of the proposed force sensors is made more difficult.
  • the invention is therefore based on the object of specifying ways in which the practical use of piezoresistive force sensors in bearings and other components is facilitated.
  • a force sensor is proposed, which is produced as a separate component, which can be used after its production in another component or connectable thereto.
  • a substrate is used for the application of the piezoresistive sensor layer, which is not, as in the prior art, part of another, to be measured by the force sensor component, but an additional element, such as a sensor plate.
  • the force sensor indicated in the preamble of claim 1 three-layer system is used.
  • the force sensor can be realized as an extremely flat and compact, compact component which can be easily installed, for example, in ball bearings or other devices.
  • the force sensor can be realized, for example, with a thickness of only 1 mm.
  • the invention allows the force sensor to be usable and traded as a separate electrical component after its manufacture. This makes it possible, for example, to buy a rolling element bearing manufacturer separately from force sensor components manufactured by a company specializing in sensor manufacturing, to integrate it into rolling bearings and to offer suitable rolling bearings provided with integrated force sensors. As a result, the manufacturer of rolling bearings does not have to specifically adapt his own manufacturing steps to the production of piezoresistive force sensors.
  • a further reduction in the cost and development time of new components is made possible by the invention in that the force sensors must be integrated as finished components only in a desired device. Previously, it was necessary to adapt the piezoresistive sensor layer to the respective bearing size and to optimize accordingly. This effort can be eliminated with the invention.
  • the force sensor according to the invention can be used independently of the size of the bearing.
  • the reliability and maintainability of equipped with one or more force sensors components can be improved.
  • a direct coating of a part of the component with the piezoresistive sensor layer a fully functional coating with a number of sensor pairs necessary for bearing monitoring is required.
  • the failure of a single sensor would result in the entire coated part having to be replaced.
  • the invention makes it possible to replace it separately by the possible interchangeability of a single force sensor as a single component. This also makes a cost reduction possible.
  • the force sensor has a first externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the substrate, and at least one second externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the at least one electrode electrical contact tion of the force sensor.
  • the force sensor can be arranged, for example, in a form-fitting manner in a correspondingly shaped depression of the component into which it is to be inserted.
  • the force sensor has at least fastening element by means of which the force sensor can be mounted on another component.
  • the fastening element can also be designed as a fastening flange.
  • the fastening elements can also be designed in the form of bores which are provided for the purpose of receiving locating pins for positioning.
  • the force sensor has at least one housing. At least a portion of the housing forms the substrate or the substrate is secured to the housing.
  • the housing has at least one fastening element, by means of which the force sensor can be mounted on another component.
  • the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor.
  • the evaluation circuit may in particular have a measuring bridge and / or a signal amplifier.
  • the evaluation circuit can be implemented in integrated or discrete circuit technology.
  • the integrated in the force sensor evaluation has the advantage that a defined external interface with easy evaluable signals of the force sensor is created.
  • a signal and level adjustment of the output signals to common signal and interface standards can be realized hereby, such as a 5V analog interface or a serial data interface.
  • this allows a trouble-free remote signal transmission.
  • the force sensors according to the invention are particularly suitable for use in environments with high electromagnetic radiation, ie for a harsh EMC environment.
  • the evaluation circuit is connected on the one hand to the substrate and the first electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element. According to an advantageous development of the invention, the evaluation circuit is arranged in the housing of the force sensor.
  • the force sensor has at least one second electrode on the piezoresistive sensor layer or another, applied to the surface of the substrate, formed with hydrocarbon piezoresistive sensor layer.
  • the second electrode is covered with the insulation and wear protection layer or another insulation and wear protection layer.
  • the second electrode forms a temperature sensor with the substrate.
  • the force sensor is extended by a temperature sensor and can be used as a combined force / temperature sensor.
  • the second electrode is arranged next to the first electrode.
  • the second electrode is arranged in such a way that the area of the piezoresistive sensor layer coated with the second electrode is outside the force flux of the force to be measured when the force sensor is mounted on another component for force measurement. It is assumed that the first electrode coated region of the piezoresistive sensor layer is within the force flow of the force to be measured.
  • the second electrode is connected as a temperature compensation element with the first electrode.
  • the force sensor can be supplemented by an integrated temperature compensation.
  • the regions coated with the first and the second electrode are arranged relatively close to one another, so that it can be assumed that substantially identical temperature conditions exist in both regions.
  • connection of the force sensor with the temperature sensor can be done depending on the application. If a force measurement is carried out at essentially constant temperatures or if the influence of temperature on the measurement accuracy is insignificant, the signal of the force sensor can be used directly. Likewise, the temperature sensor can be used separately for lowering the temperature. For a high-precision force measurement can advantageously be connected to the force sensor with the force sensor to a bridge. The arrangement of the sensors in a Wheatstone bridge circuit is advantageous.
  • the force sensor is provided with a third contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the second electrode for electrical contacting. This makes it possible to provide a temperature signal at the externally accessible third connection element. As a result, the force sensor according to the invention can be used at the same time for temperature detection.
  • the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor, in particular one Measuring bridge and / or a signal amplifier.
  • the evaluation circuit is advantageously connected on the one hand to the substrate, the first and the second electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element.
  • a third electrode which forms a force sensor with the substrate
  • a fourth electrode with which the substrate forms a temperature sensor
  • the first, the second, the third and the fourth electrode are connected to each other to a full bridge circuit.
  • a sensor interconnection is proposed in which two force sensors are available by means of the first and the third electrode and two temperature sensors by means of the second and the fourth electrode and are connected to one another to form a full bridge circuit.
  • the force sensors and the temperature sensors are arranged directly next to each other. This doubles the sensitivity of the circuit.
  • the force sensor according to the invention can in principle be used for a wide variety of applications.
  • use in or on rotating components such as bearings where one or more force sensors for torque measurement, speed measurement and / or detection of rotational irregularities of the rotating component can be used.
  • rotating components even with good balancing, certain minimum imbalances always occur, which can be evaluated with the appropriate arrangement of a force sensor and can be used to determine the speed.
  • rotational irregularities such as bearing damage or severe imbalance, can be detected hereby.
  • Another advantageous application of the force sensor is a load measurement and / or a load limitation in a load-transmitting Component.
  • a load measurement can advantageously be connected to an electronically controlled load limitation by detecting and evaluating the measured load via a control device and, when a limit value is reached or exceeded, the transmitted load is downshifted by the control device.
  • the piezoresistive sensor layer has a doped or undoped hydrocarbon layer.
  • doping materials metals such as tungsten, chromium or silver can be used. It is also possible to use pure carbon layers.
  • the first, the second, the third and / or the fourth electrode is formed with a thin metal layer, for example of chromium.
  • the insulation and wear protection layer is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer.
  • Figures 1 and 2 - a force sensor in two views
  • FIG. 1 shows a force sensor 1 designed as a separate component from the rear side of a housing 2 of the force sensor 1.
  • An elongate housing 2 with a housing chamber 3 in which electronic components of an evaluation circuit 19 are arranged can be seen.
  • the evaluation circuit 19 serves as an evaluation circuit for the signals of the force sensor 1.
  • the in the figure 1 open chamber 3 is closed as part of the production of the force sensor 1 as protection against environmental influences, eg by placing a lid or by casting the cavity 3 with a potting compound.
  • the housing 2 is advantageously made of a corrosion-resistant and high-strength material, for example steel.
  • the housing 2 From a front side opposite the rear of the housing 2 is a multi-wire electrical line 4, which serves to electrically contact the force sensor 1 with other components.
  • the housing 2 further has two through holes 5, 6 as fastening elements, via which the force sensor 1 can be mounted, for example, via dowel pins or screws with a defined adjustment.
  • FIG. 2 shows the force sensor 1 from the front side.
  • the front side has, on the surface of the housing 2, a region forming the substrate 7 made of an electrically conductive material, e.g. made of metal.
  • the entire housing may consist of the electrically conductive material.
  • a thin coating in the form of a hydrocarbon-formed piezoresistive sensor layer is applied.
  • a first electrode 12 is substantially oval in shape and connected to an electrical contact 13 via an electrical connection 9.
  • Another electrode 17 has, for example, a substantially rectangular shape.
  • the further electrode 17 is connected via an electrical connection 18 to a contact 10.
  • the contacts 10, 13 are electrically connected to the evaluation circuit 19 in the housing 2.
  • FIGS. 3a and 3b show a sketch with a circuit diagram for temperature-compensated force measurement with a circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation.
  • the force-applied surface is represented by the region 8.
  • the force-sensing electrode 12 is disposed within the region 8.
  • the electrode 17 provided for the temperature sensing is arranged outside the region 8.
  • the contacts 10, 13 and the substrate 7 are connected via electrical connecting lines 40, 41, 42 with the evaluation circuit 19.
  • the connecting lines 40, 41, 42 can be designed as individual wires of the electrical line 4.
  • a constant voltage source U is connected to a constant voltage.
  • the piezoresistive sensor layer can be homogeneously applied to a base body, here z. B. the substrate 7, are applied.
  • a base body here z. B. the substrate 7, are applied.
  • To form individual piezoresistive sensors it is necessary to define areas in which the actual measurement of the contact forces should take place.
  • each sensor region consists of two electrodes F, T
  • the electrode F designed for the force measurement is designed as a combination between a rectangular region 13, an elongated connection region 9 and a rounded region 12, wherein the rounded region can advantageously be in the form of an elongated oval.
  • the temperature measurement electrode T is a combination of a rectangular region 10, an oblong bonding area 18 and a rectangular area 17 configured. As can be seen in FIG. 3a, only the oval region 12 of the electrode is located within the force-loaded surface 8. The regions 9, 10, 13, 17, 18 of the electrodes are in the non-force-applied region. Thus, of the entire sensor arrangement, only the oval region 12 is located in the force flow of the mechanical construction.
  • the additionally arranged next to the electrode F rectangular electrode T is advantageously located in close proximity to the electrode F, but is not connected to conductive.
  • the rectangular regions 10, 13 of the electrodes serve at the same time for contacting the connecting wires for connection to a measuring circuit. In this case, it is advantageous that the regions 10 + 17 + 18 of the electrode T occupy the same surface area as the regions 9 + 12 + 13 of the electrode F. In this way, optimum temperature compensation is possible by means of the electrode T.
  • the substrate 7 as the metallic base body is an electrical reference for the detection of the sensor signals.
  • the substrate 7 is for example at ground potential.
  • the electrodes F, T are connected via a measuring circuit to a voltage source whose potential is higher than the ground potential. This forms a current flow, in which the charge carriers initially flow via a connection point into the electrodes T, F and from there through the sensor layer to the electrical ground, ie via the metallic base body of the substrate 7 to the ground of the power supply.
  • the piezoresistive sensor layer is inherently very high impedance.
  • each electrode can be considered as a separate, variable resistive resistor.
  • the sensors F, T are connected to the constant voltage source U via electrical resistors R trim and R e .
  • a constant current source can also be used.
  • a constant current source offers various advantages in the transmission of the measurement signals in the measuring circuit, such. B. the possibility of detecting line breaks or failed sensors. If there is a change in the electrical resistance of the sensor layer due to the influence of pressure or force or temperature, it can be detected locally in the area of the electrodes, since it directly influences the current flow there. For various applications, there is a need for the measurement not to become inaccurate due to temperature effects. It is therefore desirable to have a temperature-stabilized measurement.
  • a measuring circuit according to FIG. 3a or FIG. 3b is used. In this measurement circuit, an external resistor is connected in series with each electrode. Supplemented with a voltage source, a bridge circuit can then be set up.
  • the transverse voltage U b of the bridge circuit stands in the following context with the remaining variables of the measuring circuit:
  • a change in the sheet resistances in the sensor layer therefore manifests itself in a change in the transverse voltage. It can be seen that by adjusting the external resistance Rtnmm, the proportions can be adjusted so that the cross voltage between the bridge branches becomes zero. Such an adjustment can be done once, for. B. in the unloaded state of the force sensor. If there is now a force acting on the electrode F, the electrical resistance of the sensor layer is reduced at this point. This can not be done at the electrode T since it is not within the force-loaded area 8. The electrode T therefore does not change its resistance due to the force. However, both electrodes F, T are additionally subject to a temperature-induced change in resistance. By approximately equal in area formation of the areas 12, 17 and arrangement of the areas 12, 17 close to each other, an efficient temperature compensation can take place.
  • the resistance of the underlying sensor layer changes.
  • the resistance ratios of the bridge circuit are no longer adjusted so that the transverse voltage Ub has the value zero. This results in a non-zero transverse stress.
  • This voltage value is then a measure of the acting force on the electrode F, which can be detected and processed by a connected measuring unit 11.
  • the measuring unit 1 1 may, for example, have an operational amplifier for signal amplification. If there is a temperature change in the area of the sensors, this temperature change affects the entire sensor layer in this area. Accordingly, the resistance of the sensor layer changes in this area.
  • FIG. 3b shows with the circuit diagram that the electrodes T, F formed by the piezoresistive structures are connected to the resistors R trim and R e in a bridge circuit (Wheatstone bridge).
  • the illustrated resistance R F corresponds to the resistance of the electrode F
  • the resistance R T corresponds to the resistance of the electrode T.
  • the temperature compensation of the measurement is realized by the application of a quarter-bridge circuit.
  • the electrical resistances R T and RF of the respective sensor point are complemented by two external resistors R trim and R E , which are housed in a separate module together with the necessary for signal detection and evaluation electronics and allow inter alia, the vote of the bridge voltage.
  • both the external resistors R trim and R e as well as the structures of the sensor point each show a largely identical temperature behavior and are also exposed to the same temperatures. In this way, the bridge voltage remains constant even when changing the temperature either in the electronic module or the rolling bearing.
  • the noise sensitivity of this circuit is a further advantage.
  • the substrate 7 serves as a carrier for a piezoresistive sensor layer 14 applied in a planar manner, consisting of a doped or undoped hydrocarbon layer.
  • suitable doping materials are metals such as tungsten, chromium, silver, titanium, gold, platinum, etc. Pure or amorphous carbon layers are also possible as material for the sensor layer 14.
  • structured electrodes 15 are applied for force measurement and temperature compensation.
  • These structured electrodes 15 are made of a thin metal layer, such as. Chromium, titanium, chromium-nickel compounds, etc.
  • the patterned electrodes have the shape shown and discussed in Figure 3 and form the regions 10, 12, 13, 17, 18.
  • the piezoresistive sensor layer 14 and the structured electrodes 15 are covered with an insulation and wear protection layer 16, the z. B. is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer. Also conceivable is the use of silicon-oxygen, aluminum oxide or aluminum nitride-doped hydrocarbon layers. In the illustrated layer system, all the sensor structures of the piezoelectric sensors have the same electrical mass, for which the metallic substrate 7 is used.
  • a piezoresistive thin-film sensor comprising a hydrocarbon layer with piezoresistive properties and electrode structures on the piezoresistive sensor layer arranged on a carrier is also known from DE 10 2006 019 942 A1. In the figure 5 an advantageous use of the force sensor 1 is shown.
  • FIG. 5 shows a dog clutch 50 having a first coupling part 51 and a second coupling part 52 assigned to the first coupling part 51.
  • the second coupling part 52 has protruding claws 53, 54.
  • the first coupling part 51 has claw receptacles 55, 56 which are provided for receiving the claws 53, 54.
  • In the claws 53, 54 each have a force sensor 1 is integrated.
  • the force sensors 1 are arranged in the claws 53, 54 such that the forces transmitted by the claw receptacles 55, 56 to the claws 53, 54 act on the respective sensor regions 12 of the force sensors 1.
  • a momentary measuring shaft or a torque calibration shaft can be created.
  • the force sensors 1 are arranged in the dog clutch 50 such that forces in both directions of rotation can be measured.
  • measuring shafts or measuring flanges are used to measure torques, which are equipped with strain gauges.
  • the deformation of the carrier material ie the measuring shaft or the measuring flange
  • the strain gauges leads to an expansion of the strain gauges, which in turn leads to a change in resistance of the measuring strip, which is used as a measure for the determination of the applied torque.
  • Strain gauge designs have the disadvantage of requiring accurate knowledge of the strain characteristics of the substrate for accurate torque measurement. The properties of the carrier material must therefore be checked regularly, since they are subject to aging, ie regular calibration of such measuring shafts or measuring flanges is required.
  • the proposed integration of force sensors in the dog clutch the disadvantages mentioned can be overcome.
  • the use of the force sensor according to the invention enables the production of high-precision measuring shafts or measuring flanges without the need to know the material properties of the substrate accurately and to check regularly.
  • the force measured by the force sensors is proportional to the torque that is transmitted via the jaws of the dog clutch. If only a torque transmission to be measured in one direction of rotation, only one force sensor 1 is required.
  • FIG. 6 shows a bearing 60 with a ball bearing 61, 62, 63 and eight force sensors 1.
  • the bearing 60 is shown partially cut to better recognizability of the arrangement of the force sensors 1, so that two force sensors 1 can be seen.
  • the remaining six force sensors are distributed uniformly over the circumference of the bearing 60. Visible are the electrical connection cables 4 of the force sensors 1, which are led out of respective passage openings 66 of an outer housing part 65 of the bearing.
  • the bearing 60 has an outer housing part 65 and an inner housing part 64. Between the outer housing part 65 and the inner housing part 64, a ball bearing is arranged.
  • the ball bearing has an inner bearing ring 61, an outer bearing ring 63 and a plurality of balls 62 which, together with a ball-holding element between the inner bearing ring 61 and the outer bearing ring 63 are arranged.
  • On a lower housing wall of the outer housing part 65 force sensors 1 are arranged in a star shape around the center of the bearing 60 around.
  • the force sensors 1 are arranged with their sensor region 12 below the outer ring 63 of the ball bearing between the outer ring 63 and the lower wall of the outer housing part 65.
  • Accelerometers are characterized by a high sensitivity, which makes it possible to mount them on the bearing block or machine housing and draw conclusions about the condition of the considered by means of suitable signal processing methods in the field of bearing monitoring To pull rolling bearing.
  • a kind of bearing control also has disadvantages. Due to the high sensitivity of the sensors, the measuring signal is composed both of the vibrations of the bearing to be monitored and of the vibrations of other oscillating components of the overall system, whose vibrations are transmitted via the structure to the accelerometer. As a result, no precise differentiation between the causes of the detected vibrations is possible. Therefore, the fact of a bearing damage can be recognized, but the source of the damage can not be clearly assigned.
  • the force sensors can thus be arranged as a bearing monitoring sensor directly a gap between a bearing and a bearing seat, which allows a more direct sensing. This allows fault detection in warehouses as well as accurate localization of the fault to be performed faster and more reliably. Corresponding defects in the bearing have an effect on different pressure distributions on the bearing face and thus different detected forces of the force sensors.

Abstract

The invention relates to a piezoresistive force sensor having a substrate, at least one piezoresistive sensor layer formed on the surface of the substrate with hydrocarbon, at least one first electrode applied to the piezoresistive sensor layer, and at least one insulation and wear protection layer which covers the piezoresistive sensor layer and the first electrode. The force sensor is produced as a separate part which, following the production thereof, is insertable into another component or is connectable thereto. The invention also relates to advantageous uses of the force sensor and to a method for providing a force sensor.

Description

Piezoresistiver Kraftsensor  Piezoresistive force sensor
Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem vorteilhafte Verwen- düngen des Kraftsensors gemäß den Ansprüchen 8 und 9 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftsensors gemäß dem Anspruch 10. The invention also relates to advantageous use fertilize the force sensor according to claims 8 and 9 and a method for providing a force sensor according to the claim 10.
Piezoresistive Kraftsensoren können zur Messung von mechanischen Kräften, Drücken oder Momenten verwendet werden. In der DE 102 43 095 B4 wird bei- spielsweise vorgeschlagen, ein Wälzlager mit derartigen Kraftsensoren zu versehen, um eine integrierte Zustandsmessung des Wälzlagers zu realisieren. Die Kraftsensoren werden dabei durch direkte Beschichtung eines Teils des Wälzlagers in das Wälzlager integriert. Eine solche Direktbeschichtung von komplexen Bauteilen erfordert eine spezielle Herstell- und Prozesstechnik in der Bauteilherstellung, die aufwendiger ist als die gängige, bereits bestehende Herstell- und Prozesstechnik für das komplexe Bauteil ohne Kraftsensoren. Hierdurch wird eine praktische Realisierung der vorgeschlagenen Kraftsensoren erschwert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen der praktische Einsatz von piezoresistiven Kraftsensoren in Lagern und anderen Bauelementen erleichtert wird. Piezoresistive force sensors can be used to measure mechanical forces, pressures or moments. In DE 102 43 095 B4, for example, it is proposed to provide a rolling bearing with such force sensors in order to realize an integrated state measurement of the rolling bearing. The force sensors are integrated by direct coating of a part of the rolling bearing in the rolling bearing. Such a direct coating of complex components requires a special manufacturing and process technology in component manufacturing, which is more expensive than the current, existing manufacturing and processing technology for the complex component without force sensors. As a result, a practical realization of the proposed force sensors is made more difficult. The invention is therefore based on the object of specifying ways in which the practical use of piezoresistive force sensors in bearings and other components is facilitated.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 , 8, 9 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. This object is achieved by the invention specified in claims 1, 8, 9 and 10. The subclaims indicate advantageous embodiments of the invention.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Gemäß Anspruch 1 wird ein Kraftsensor vorgeschlagen, der als separates Bauteil hergestellt ist, das nach seiner Herstellung in ein anderes Bauelement einsetzbar oder damit verbindbar ist. Hierbei wird für die Aufbringung der piezore- sistiven Sensorschicht ein Substrat verwendet, das nicht, wie im Stand der Technik, Bestandteil eines anderen, vom Kraftsensor zu vermessenden Bauteils ist, sondern ein zusätzliches Element, z.B. ein Sensorplättchen. Für den Aufbau des Kraftsensors wird das im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Dreischichtsystem verwendet. Hierdurch kann der Kraftsensor als äußerst fla- ches und kleinbauendes, kompaktes Bauteil realisiert werden, das beispielsweise in Kugellager oder andere Einrichtungen problemlos eingebaut werden kann. Der Kraftsensor kann z.B. mit einer Dicke von nur 1 mm realisiert werden. Zugleich erlaubt die Erfindung, dass der Kraftsensor nach seiner Herstellung als separates elektrisches Bauteil verwendbar und handelbar ist. Dies ermöglicht es beispielsweise einem Hersteller von Wälzlagern, die separat von einem auf die Sensorfertigung spezialisierten Unternehmen hergestellten separaten Kraftsensor-Bauteile einzukaufen, in Wälzlager zu integrieren und entspre- chende mit integrierten Kraftsensoren versehene Wälzlager anzubieten. Hierdurch muss der Hersteller der Wälzlager seine eigenen Herstellschritte nicht speziell auf die Herstellung von piezoresistiven Kraftsensoren anpassen. CONFIRMATION COPY According to claim 1, a force sensor is proposed, which is produced as a separate component, which can be used after its production in another component or connectable thereto. Here, a substrate is used for the application of the piezoresistive sensor layer, which is not, as in the prior art, part of another, to be measured by the force sensor component, but an additional element, such as a sensor plate. For the construction of the force sensor indicated in the preamble of claim 1 three-layer system is used. As a result, the force sensor can be realized as an extremely flat and compact, compact component which can be easily installed, for example, in ball bearings or other devices. The force sensor can be realized, for example, with a thickness of only 1 mm. At the same time, the invention allows the force sensor to be usable and traded as a separate electrical component after its manufacture. This makes it possible, for example, to buy a rolling element bearing manufacturer separately from force sensor components manufactured by a company specializing in sensor manufacturing, to integrate it into rolling bearings and to offer suitable rolling bearings provided with integrated force sensors. As a result, the manufacturer of rolling bearings does not have to specifically adapt his own manufacturing steps to the production of piezoresistive force sensors.
Wie erkennbar ist, ergibt sich hieraus allgemein der Vorteil, dass die erfin- dungsgemäßen piezoresistiven Kraftsensoren als separate Bauteile universell in verschiedensten Bereichen einsetzbar sind, so dass hierdurch deren Verbreitung in praktischen Anwendungen gefördert wird. Dies ermöglicht wiederum eine kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoren im großen industriellen Umfang. As can be seen, this results in the general advantage that the piezoresistive force sensors according to the invention can be used as separate components universally in a wide variety of areas, so that their dissemination is promoted in practical applications. This in turn allows a cost-effective production of the force sensors according to the invention on a large industrial scale.
Gegenüber der direkten Aufbringung der Kraftsensoren auf Elementen eines Lagers oder anderen Bauteilen ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass der Aufwand für eine Vorbereitung der Oberflächen der Bauteile zur Aufbringung der piezoresistiven Sensorschicht verringert wird, da nicht mehr großflächig die Oberfläche vorbereitet werden muss, sondern nur spezifisch auf dem separaten Substrat des Kraftsensors. Insgesamt müssen hierdurch nur noch erheblich kleinere Oberflächen bearbeitet werden. Da die Vorbereitung unter anderem ein Polieren auf eine Rauheit Rz=0,1 erfordert, kann durch die Erfindung ein erhebliche Reduktion der Fertigungskosten der Kraftsensoren erzielt werden. Compared to the direct application of the force sensors on elements of a warehouse or other components results in the additional advantage that the Effort for a preparation of the surfaces of the components for applying the piezoresistive sensor layer is reduced, since no longer the surface must be prepared over a large area, but only specifically on the separate substrate of the force sensor. Overall, this only requires much smaller surfaces to be processed. Among other things, since the preparation requires polishing to a roughness R z = 0.1, a considerable reduction in the manufacturing costs of the force sensors can be achieved by the invention.
Eine weitere Verringerung der Kosten und der Entwicklungszeit neuer Bauteile wird durch die Erfindung dadurch ermöglicht, dass die Kraftsensoren als fertige Bauteile lediglich in ein gewünschtes Bauelement integriert werden müssen. Bisher war es erforderlich, die piezoresistive Sensorschicht an die jeweilige Lagerbaugröße anzupassen und entsprechend zu optimieren. Dieser Aufwand kann mit der Erfindung entfallen. Der erfindungsgemäße Kraftsensor kann un- abhängig von der Baugröße des Lagers eingesetzt werden. A further reduction in the cost and development time of new components is made possible by the invention in that the force sensors must be integrated as finished components only in a desired device. Previously, it was necessary to adapt the piezoresistive sensor layer to the respective bearing size and to optimize accordingly. This effort can be eliminated with the invention. The force sensor according to the invention can be used independently of the size of the bearing.
Zudem kann mit der Erfindung die Ausfallsicherheit und Wartbarkeit von mit einem oder mehreren Kraftsensoren bestückten Bauelementen verbessert werden. Bei einer direkten Beschichtung eines Teils des Bauelements mit der pie- zoresistiven Sensorschicht ist eine voll funktionstüchtige Beschichtung mit einer für die Lagerüberwachung notwendigen Zahl an Sensorpaaren erforderlich. Der Ausfall eines einzigen Sensors würde dazu führen, dass das gesamte beschichtete Teil ersetzt werden muss. Die Erfindung erlaubt es, durch die mögliche Austauschbarkeit eines einzelnen Kraftsensors als einzelnes Bauteil die- ses separat zu ersetzen. Auch hierdurch ist eine Kostenreduzierung möglich. In addition, with the invention, the reliability and maintainability of equipped with one or more force sensors components can be improved. In a direct coating of a part of the component with the piezoresistive sensor layer, a fully functional coating with a number of sensor pairs necessary for bearing monitoring is required. The failure of a single sensor would result in the entire coated part having to be replaced. The invention makes it possible to replace it separately by the possible interchangeability of a single force sensor as a single component. This also makes a cost reduction possible.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor ein erstes von außen kontaktierbares elektrisches Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit dem Substrat verbunden ist, und wenigstens ein zweites von außen kontaktierbares elektrisches Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit der wenigstens einen Elektrode verbunden ist, zur elektrischen Kontak- tierung des Kraftsensors auf. Hierdurch können vorteilhaft elektrische Außenanschlüsse des Kraftsensors realisiert werden. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has a first externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the substrate, and at least one second externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the at least one electrode electrical contact tion of the force sensor. As a result, advantageous electrical external connections of the force sensor can be realized.
Der Kraftsensor kann beispielsweise formschlüssig in einer entsprechend ge- formten Vertiefung des Bauelements, in das er eingesetzt werden soll, angeordnet werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens Befestigungselement auf, mittels dem der Kraftsensor an einem anderen Bauelement montierbar ist. Beispielsweise kann als Befestigungselement eine Gewindebefestigung oder entsprechende Bohrungen in einem Gehäuse des Kraftsensors vorgesehen sein, über die der Kraftsensor an ein Bauelement mit einer definierten Position angeschraubt werden kann. Das Befestigungselement kann auch als Befestigungsflansch ausgebildet sein. Vorteilhaft können die Befestigungselemente auch in Form von Bohrungen, die zur Aufnahme von Passstiften zur Positionierung vorgesehen sind, ausgestaltet sein. The force sensor can be arranged, for example, in a form-fitting manner in a correspondingly shaped depression of the component into which it is to be inserted. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least fastening element by means of which the force sensor can be mounted on another component. For example, can be provided as a fastener threaded attachment or corresponding holes in a housing of the force sensor, via which the force sensor can be screwed to a component with a defined position. The fastening element can also be designed as a fastening flange. Advantageously, the fastening elements can also be designed in the form of bores which are provided for the purpose of receiving locating pins for positioning.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens ein Gehäuse auf. Wenigstens ein Teil des Gehäuses bildet das Substrat, oder das Substrat ist an dem Gehäuse befestigt. Hierbei weist das Gehäuse wenigstens ein Befestigungselement auf, mittels dem der Kraftsensor an einem anderen Bauelement montierbar ist. Durch das Gehäuse kann ein verbesserter Schutz des inneren Aufbaus des Kraftsensors gegen Umgebungseinflüsse realisiert werden. Zudem werden die Möglichkeiten zur Anordnung eines Befestigungselements vielfältiger gestaltet. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least one housing. At least a portion of the housing forms the substrate or the substrate is secured to the housing. In this case, the housing has at least one fastening element, by means of which the force sensor can be mounted on another component. Through the housing, an improved protection of the internal structure of the force sensor against environmental influences can be realized. In addition, the possibilities for arranging a fastener are made more diverse.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor eine in den Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung auf. Die Auswerteschaltung kann insbesondere eine Messbrücke und/oder einen Signalverstärker aufweisen. Die Auswerteschaltung kann in integrierter oder diskreter Schal- tungstechnik ausgeführt sein. Die in dem Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung hat den Vorteil, dass eine definierte Außenschnittstelle mit einfach auswertbaren Signalen des Kraftsensors geschaffen wird. Insbesondere kann hiermit eine Signal- und Pegelanpassung der Ausgangssignale an gängige Signal- und Schnittstellenstandards realisiert werden, wie z.B. eine 5V- Analogschnittstelle oder eine serielle Datenschnittstelle. Zudem wird hierdurch eine störungsfreie Signalfernübertragung ermöglicht. Hierdurch eignen sich die erfindungsgemäßen Kraftsensoren insbesondere auch für den Einsatz in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Einstrahlung, d.h. für ein raues EMV- Umfeld. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteschaltung einerseits mit dem Substrat und der ersten Elektrode und andererseits mit dem ersten und dem zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteschaltung in dem Gehäuse des Kraftsensors angeordnet. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor. The evaluation circuit may in particular have a measuring bridge and / or a signal amplifier. The evaluation circuit can be implemented in integrated or discrete circuit technology. The integrated in the force sensor evaluation has the advantage that a defined external interface with easy evaluable signals of the force sensor is created. In particular, a signal and level adjustment of the output signals to common signal and interface standards can be realized hereby, such as a 5V analog interface or a serial data interface. In addition, this allows a trouble-free remote signal transmission. As a result, the force sensors according to the invention are particularly suitable for use in environments with high electromagnetic radiation, ie for a harsh EMC environment. According to an advantageous embodiment of the invention, the evaluation circuit is connected on the one hand to the substrate and the first electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element. According to an advantageous development of the invention, the evaluation circuit is arranged in the housing of the force sensor.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens eine zweite Elektrode auf der piezoresistiven Sensorschicht oder einer weiteren auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten, mit Kohlenwasserstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht auf. Die zweite Elektrode ist mit der Isolations- und Verschleißschutzschicht oder einer weiteren Isolati- ons- und Verschleißschutzschicht abgedeckt. Die zweite Elektrode bildet mit dem Substrat einen Temperatursensor. Hierdurch wird der Kraftsensor um einen Temperatursensor erweitert und kann als kombinierter Kraft- /Temperatursensor eingesetzt werden. Vorteilhaft ist die zweite Elektrode ne- ben der ersten Elektrode angeordnet. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least one second electrode on the piezoresistive sensor layer or another, applied to the surface of the substrate, formed with hydrocarbon piezoresistive sensor layer. The second electrode is covered with the insulation and wear protection layer or another insulation and wear protection layer. The second electrode forms a temperature sensor with the substrate. As a result, the force sensor is extended by a temperature sensor and can be used as a combined force / temperature sensor. Advantageously, the second electrode is arranged next to the first electrode.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Elektrode derart angeordnet, dass der mit der zweiten Elektrode beschichtete Bereich der piezoresistiven Sensorschicht bei Montage des Kraftsensors an einem anderen Bauelement zur Kraftmessung außerhalb des Kraftflusses der zu messenden Kraft ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der mit der ersten Elektrode beschichtete Bereich der piezoresistiven Sensorschicht innerhalb des Kraftflusses der zu messenden Kraft liegt. According to an advantageous development of the invention, the second electrode is arranged in such a way that the area of the piezoresistive sensor layer coated with the second electrode is outside the force flux of the force to be measured when the force sensor is mounted on another component for force measurement. It is assumed that the first electrode coated region of the piezoresistive sensor layer is within the force flow of the force to be measured.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Elektrode als Temperaturkompensationselement mit der ersten Elektrode verschaltet. Hierdurch kann der Kraftsensor durch eine integrierte Temperaturkompensation ergänzt werden. Dies erlaubt die Herstellung von Kraftsensoren mit weitgehend temperaturneutralem Ausgangssignal. Vorteilhaft sind die mit der ersten und der zweiten Elektrode beschichteten Bereich relativ dicht beieinander an- geordnet, so dass von im Wesentlichen gleichen Temperaturverhältnissen in beiden Bereichen ausgegangen werden kann. According to an advantageous development of the invention, the second electrode is connected as a temperature compensation element with the first electrode. As a result, the force sensor can be supplemented by an integrated temperature compensation. This allows the production of force sensors with largely temperature-neutral output signal. Advantageously, the regions coated with the first and the second electrode are arranged relatively close to one another, so that it can be assumed that substantially identical temperature conditions exist in both regions.
Die Verschaltung des Kraftsensors mit dem Temperatursensor kann anwendungsabhängig erfolgen. Sofern eine Kraftmessung bei im Wesentlichen gleich bleibenden Temperaturen durchgeführt wird oder falls der Temperatureinfluss auf die Messgenauigkeit unwesentlich ist, kann das Signal des Kraftsensors direkt verwendet werden. Ebenso kann der Temperatursensor separat zur Sen- sierung der Temperatur verwendet werden. Für eine hochgenaue Kraftmessung kann vorteilhaft der Temperatursensor mit dem Kraftsensor zu einer Brücke verschaltet werden. Vorteilhaft ist die Anordnung der Sensoren in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung. The connection of the force sensor with the temperature sensor can be done depending on the application. If a force measurement is carried out at essentially constant temperatures or if the influence of temperature on the measurement accuracy is insignificant, the signal of the force sensor can be used directly. Likewise, the temperature sensor can be used separately for lowering the temperature. For a high-precision force measurement can advantageously be connected to the force sensor with the force sensor to a bridge. The arrangement of the sensors in a Wheatstone bridge circuit is advantageous.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftsensor mit einem dritten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist, versehen. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines Temperatursignals an dem von außen zugänglichen dritten Anschlusselement. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Kraftsensor zugleich zur Temperaturerfassung verwendet werden. According to an advantageous development of the invention, the force sensor is provided with a third contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the second electrode for electrical contacting. This makes it possible to provide a temperature signal at the externally accessible third connection element. As a result, the force sensor according to the invention can be used at the same time for temperature detection.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor eine in dem Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung auf, insbesondere eine Messbrücke und/oder einen Signalverstärker. Die Auswerteschaltung ist vorteilhaft einerseits mit dem Substrat, der ersten und der zweiten Elektrode und andererseits mit dem ersten und dem zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement verbunden. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor, in particular one Measuring bridge and / or a signal amplifier. The evaluation circuit is advantageously connected on the one hand to the substrate, the first and the second electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine dritte Elektrode, die mit dem Substrat einen Kraftsensor bildet, und eine vierte Elektrode, mit dem Substrat einen Temperatursensor bildet, vorgesehen. Hierbei sind die erste, die zweite, die dritte und die vierte Elektrode miteinander zu einer Voll- brückenschaltung verbunden. Hiermit wird eine Sensorverschaltung vorgeschlagen, bei der zwei Kraftsensoren mittels der ersten und der dritten Elektrode und zwei Temperatursensoren mittels der zweiten und der vierten Elektrode zur Verfügung stehen und miteinander zu einer Vollbrückenschaltung verbunden sind. Dies ermöglicht eine Verdoppelung der Empfindlichkeit der Sensorik. Vorteilhaft werden die Kraftsensoren und die Temperatursensoren dabei unmittelbar nebeneinander angeordnet. Hierdurch verdoppelt sich die Empfindlichkeit der Schaltung. According to an advantageous development of the invention, a third electrode, which forms a force sensor with the substrate, and a fourth electrode, with which the substrate forms a temperature sensor, are provided. Here, the first, the second, the third and the fourth electrode are connected to each other to a full bridge circuit. Hereby, a sensor interconnection is proposed in which two force sensors are available by means of the first and the third electrode and two temperature sensors by means of the second and the fourth electrode and are connected to one another to form a full bridge circuit. This allows a doubling of the sensitivity of the sensor. Advantageously, the force sensors and the temperature sensors are arranged directly next to each other. This doubles the sensitivity of the circuit.
Der erfindungsgemäße Kraftsensor kann grundsätzlich für verschiedenste An- Wendungen eingesetzt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Verwendung in oder an drehenden Bauteilen, wie z.B. Lagern, wo ein oder mehrere Kraftsensoren zur Drehmomentmessung, zur Drehzahlmessung und/oder zur Erkennung von Drehunregelmäßigkeiten des drehenden Bauteils verwendet werden können. So treten bei drehenden Bauteilen auch bei guter Auswuchtung immer gewissen minimale Unwuchten auf, die bei entsprechender Anordnung eines Kraftsensors ausgewertet werden können und zur Drehzahlbestimmung verwendet werden können. Ebenso können Drehunregelmäßigkeiten, wie z.B. Lagerschäden oder starke Unwucht, hiermit erkannt werden. Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Kraftsensors besteht in einer Lastmessung und/oder ein Lastbegrenzung bei einem lastübertragenden Bauteil. So kann z.B. eine Lastmessung vorteilhaft mit einer elektronisch gesteuerten Lastbegrenzung verbunden werden, indem über eine Steuereinrichtung die gemessene Last erfasst und ausgewertet wird und bei Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwertes die übertragene Last durch die Steuereinrich- tung heruntergeregelt wird. The force sensor according to the invention can in principle be used for a wide variety of applications. Advantageously, for example, use in or on rotating components, such as bearings where one or more force sensors for torque measurement, speed measurement and / or detection of rotational irregularities of the rotating component can be used. Thus, with rotating components, even with good balancing, certain minimum imbalances always occur, which can be evaluated with the appropriate arrangement of a force sensor and can be used to determine the speed. Likewise, rotational irregularities, such as bearing damage or severe imbalance, can be detected hereby. Another advantageous application of the force sensor is a load measurement and / or a load limitation in a load-transmitting Component. Thus, for example, a load measurement can advantageously be connected to an electronically controlled load limitation by detecting and evaluating the measured load via a control device and, when a limit value is reached or exceeded, the transmitted load is downshifted by the control device.
Die Erfindung betrifft außerdem ein vorteilhaftes Verfahren zur Bereitstellung eines piezoresistiven Kraftsensors mit den Schritten: The invention also relates to an advantageous method for providing a piezoresistive force sensor with the steps:
a) Bilden einer piezoresistiven Sensorschicht durch Aufbringen von Kohlen- Wasserstoff auf die Oberfläche eines Substrats, a) forming a piezoresistive sensor layer by applying carbon-hydrogen to the surface of a substrate,
b) Aufbringen wenigstens einer ersten Elektrode auf die piezoresistive Sensorschicht, b) applying at least one first electrode to the piezoresistive sensor layer,
c) Aufbringen wenigstens einer die piezoresistive Sensorschicht und die erste Elektrode abdeckenden Isolations- und Verschleißschutzschicht, c) applying at least one insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the first electrode,
d) Vorsehen eines ersten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements, das direkt oder indirekt mit dem Substrat verbunden ist, und wenigstens eines zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements, das direkt oder indirekt mit der wenigstens einen ersten Elektrode verbunden ist, zur elektrischen Kontaktierung des Kraftsensors, e) Separieren des Kraftsensors als separates Bauteil. d) providing a first externally contactable electrical connection element, which is directly or indirectly connected to the substrate, and at least one second externally contactable electrical connection element, which is directly or indirectly connected to the at least one first electrode, for electrical contacting of the force sensor, e) Separating the force sensor as a separate component.
Das so hergestellte Kraftsensorbauteil kann z.B. einzeln oder in Sammelverpackungen verpackt werden und über den Elektroteilehandel vertrieben werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die piezoresistive Sensorschicht eine dotierte oder undotierte Kohlenwasserstoffschicht auf. Als Dotierungsmaterialien können Metalle wie Wolfram, Chrom oder Silber verwendet werden. Es können auch reine Kohlenstoffschichten Anwendung finden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste, die zweite, die dritte und/oder die vierte Elektrode mit einer dünnen Metallschicht gebildet, z.B. aus Chrom. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Isolations- und Verschleißschutzschicht aus einer siliziumdotierten Kohlenwasserstoffschicht gebildet. The force sensor component thus produced can be packaged, for example, individually or in bulk packaging and distributed via the electric parts trade. According to an advantageous development of the invention, the piezoresistive sensor layer has a doped or undoped hydrocarbon layer. As doping materials, metals such as tungsten, chromium or silver can be used. It is also possible to use pure carbon layers. According to an advantageous development of the invention, the first, the second, the third and / or the fourth electrode is formed with a thin metal layer, for example of chromium. According to an advantageous development of the invention, the insulation and wear protection layer is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Ver- wendung von Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings.
Es zeigen Show it
Figuren 1 und 2 - einen Kraftsensor in zwei Ansichten und Figures 1 and 2 - a force sensor in two views and
Figuren 3a und 3b - eine Messschaltung und Figures 3a and 3b - a measuring circuit and
Figur 4 - ein Dreischichtsystem und Figur 5 - eine Klauenkupplung und Figure 4 - a three-layer system and Figure 5 - a dog clutch and
Figur 6 - ein Kugellager. Figure 6 - a ball bearing.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet. In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements.
Die Figur 1 zeigt einen als separates Bauteil ausgeführten Kraftsensor 1 von der Rückseite eines Gehäuses 2 des Kraftsensors 1. Erkennbar ist ein längliches Gehäuse 2 mit einer Gehäusekammer 3, in der elektronische Bauelemen- te einer Auswerteschaltung 19 angeordnet sind. Die Auswerteschaltung 19 dient als Auswerteschaltung für die Signale des Kraftsensors 1. Die in der Figur 1 offen dargestellte Kammer 3 wird im Rahmen der Herstellung des Kraftsensors 1 als Schutz gegen Umwelteinflüsse verschlossen, z.B. durch Aufsetzen eines Deckels oder durch Vergießen des Hohlraums 3 mit einer Vergussmasse. Das Gehäuse 2 ist vorteilhaft aus einem korrosionsbeständigen und hochfes- tem Material, beispielsweise Stahl, gefertigt. FIG. 1 shows a force sensor 1 designed as a separate component from the rear side of a housing 2 of the force sensor 1. An elongate housing 2 with a housing chamber 3 in which electronic components of an evaluation circuit 19 are arranged can be seen. The evaluation circuit 19 serves as an evaluation circuit for the signals of the force sensor 1. The in the figure 1 open chamber 3 is closed as part of the production of the force sensor 1 as protection against environmental influences, eg by placing a lid or by casting the cavity 3 with a potting compound. The housing 2 is advantageously made of a corrosion-resistant and high-strength material, for example steel.
Von einer der Rückseite gegenüberliegenden Frontseite des Gehäuses 2 geht eine mehradrige elektrische Leitung 4 aus, die dazu dient, den Kraftsensor 1 elektrisch mit weiteren Bauteilen zu kontaktieren. Das Gehäuse 2 weist ferner als Befestigungselemente zwei Durchgangsbohrungen 5, 6 auf, über die der Kraftsensor 1 beispielsweise über Passstifte oder Schrauben mit einer definierten Justierung montiert werden kann. From a front side opposite the rear of the housing 2 is a multi-wire electrical line 4, which serves to electrically contact the force sensor 1 with other components. The housing 2 further has two through holes 5, 6 as fastening elements, via which the force sensor 1 can be mounted, for example, via dowel pins or screws with a defined adjustment.
Die Figur 2 zeigt den Kraftsensor 1 von der Frontseite. Die Frontseite weist auf der Oberfläche des Gehäuses 2 einen Bereich auf, der das Substrat 7 bildet, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, z.B. aus Metall. Vorteilhaft kann das gesamte Gehäuse aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Auf dem Substrat 7 ist eine dünne Beschichtung in Form einer mit Kohlenwasserstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht aufgebracht. Der ent- sprechende Schichtaufbau wird nachfolgend noch anhand der Figur 4 näher erläutert. FIG. 2 shows the force sensor 1 from the front side. The front side has, on the surface of the housing 2, a region forming the substrate 7 made of an electrically conductive material, e.g. made of metal. Advantageously, the entire housing may consist of the electrically conductive material. On the substrate 7, a thin coating in the form of a hydrocarbon-formed piezoresistive sensor layer is applied. The corresponding layer structure will be explained in more detail below with reference to FIG.
Auf der piezoresistiven Sensorschicht sind strukturierte Elektroden aufgebracht. Eine erste Elektrode 12 ist beispielsweise im Wesentlichen oval geformt und über eine elektrische Verbindung 9 mit einem elektrischen Kontakt 13 verbunden. Eine weitere Elektrode 17 weist z.B. eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Die weitere Elektrode 17 ist über eine elektrische Verbindung 18 mit einem Kontakt 10 verbunden. Die Kontakte 10, 13 sind elektrisch mit der Auswerteschaltung 19 in dem Gehäuse 2 verbunden. Mittels des im Bereich der Elektrode 12 gebildeten piezoresistiven Sensorelements kann eine Kraftsensie- rung durchgeführt werden, wobei dieser Bereich 12 dann im Einwirkbereich der Kraft zu platzieren ist. Mit der Elektrode 17 kann eine Temperaturerfassung und -kompensation durchgeführt werden. On the piezoresistive sensor layer structured electrodes are applied. For example, a first electrode 12 is substantially oval in shape and connected to an electrical contact 13 via an electrical connection 9. Another electrode 17 has, for example, a substantially rectangular shape. The further electrode 17 is connected via an electrical connection 18 to a contact 10. The contacts 10, 13 are electrically connected to the evaluation circuit 19 in the housing 2. By means of the piezoresistive sensor element formed in the region of the electrode 12, a force sizing can be carried out, this region 12 then being in the area of action of the Force is to place. With the electrode 17, a temperature detection and compensation can be performed.
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine Skizze mit einem Schaltdiagramm zur tem- peraturkompensierten Kraftmessung mit einem Schaltbild einer Viertelbrücke zur Temperaturkompensation. FIGS. 3a and 3b show a sketch with a circuit diagram for temperature-compensated force measurement with a circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation.
Gemäß Figur 3a ist durch den Bereich 8 die kraftbeaufschlagte Fläche dargestellt. Die für die Kraftsensierung vorgesehene Elektrode 12 ist innerhalb des Bereichs 8 angeordnet. Die für die Temperatursensierung vorgesehene Elektrode 17 ist außerhalb des Bereichs 8 angeordnet. According to FIG. 3 a, the force-applied surface is represented by the region 8. The force-sensing electrode 12 is disposed within the region 8. The electrode 17 provided for the temperature sensing is arranged outside the region 8.
Die Kontakte 10, 13 sowie das Substrat 7 sind über elektrische Verbindungsleitungen 40, 41 , 42 mit der Auswerteschaltung 19 verbunden. Die Verbindungs- leitungen 40, 41 , 42 können als einzelne Adern der elektrischen Leitung 4 ausgeführt sein. An die Leitung 42 und damit an das Substrat 7 ist eine Konstant- spannungsquelle U mit einer konstanten Spannung angeschlossen. The contacts 10, 13 and the substrate 7 are connected via electrical connecting lines 40, 41, 42 with the evaluation circuit 19. The connecting lines 40, 41, 42 can be designed as individual wires of the electrical line 4. To the line 42 and thus to the substrate 7, a constant voltage source U is connected to a constant voltage.
Die piezoresistive Sensorschicht kann homogen auf einen Grundkörper, hier z. B. das Substrat 7, aufgetragen werden. Zur Ausbildung einzelner piezoresisti- ver Messaufnehmer ist es notwendig, Bereiche zu definieren, in denen die eigentliche Messung der Kontaktkräfte stattfinden soll. Hierfür kann vorteilhaft eine elektrisch leitfähige Beschichtung in dedizierten Bereichen des Grundkörpers vorgesehen werden, und zwar in Form der anhand der Figur 3a dargestell- ten Bereiche 9, 10, 12, 13, 17, 18. Vorteilhaft besteht jeder Sensorbereich aus zwei Elektroden F, T. Die für die Kraftmessung ausgebildete Elektrode F ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 13, einem länglichen Verbindungsbereich 9 und einem gerundeten Bereich 12 ausgestaltet, wobei der gerundete Bereich vorteilhaft in Form eines lang gestreckten Ovals ausgebildet sein kann. Die für die Temperaturmessung ausgebildete Elektrode T ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 10, einem länglichen Ver- bindungsbereich 18 und einem rechteckigen Bereich 17 ausgestaltet. Wie in Figur 3a zu erkennen ist, befindet sich nur der ovale Bereich 12 der Elektrode innerhalb der kraftbeaufschlagten Fläche 8. Die Bereiche 9, 10, 13, 17, 18 der Elektroden befinden sich in dem nicht kraftbeaufschlagten Bereich. Somit be- findet sich von der gesamten Sensoranordnung nur der ovale Bereich 12 im Kraftfluss der mechanischen Konstruktion. Die zusätzlich neben der Elektrode F angeordnete rechteckförmige Elektrode T befindet sich vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Elektrode F, ist mit dieser jedoch nicht leitfähig verbunden. Die rechteckförmigen Bereiche 10, 13 der Elektroden dienen dabei zugleich der Kontaktierung der Anschlussdrähte zur Verbindung mit einer Messschaltung. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Bereiche 10+17+18 der Elektrode T den gleichen Flächenbereich einnehmen wie die Bereiche 9+12+13 der Elektrode F. Hierdurch ist mittels der Elektrode T eine optimale Temperaturkompensation möglich. The piezoresistive sensor layer can be homogeneously applied to a base body, here z. B. the substrate 7, are applied. To form individual piezoresistive sensors, it is necessary to define areas in which the actual measurement of the contact forces should take place. For this purpose, it is advantageously possible to provide an electrically conductive coating in dedicated regions of the base body, specifically in the form of the regions 9, 10, 12, 13, 17, 18 illustrated with reference to FIG. 3a. Advantageously, each sensor region consists of two electrodes F, T The electrode F designed for the force measurement is designed as a combination between a rectangular region 13, an elongated connection region 9 and a rounded region 12, wherein the rounded region can advantageously be in the form of an elongated oval. The temperature measurement electrode T is a combination of a rectangular region 10, an oblong bonding area 18 and a rectangular area 17 configured. As can be seen in FIG. 3a, only the oval region 12 of the electrode is located within the force-loaded surface 8. The regions 9, 10, 13, 17, 18 of the electrodes are in the non-force-applied region. Thus, of the entire sensor arrangement, only the oval region 12 is located in the force flow of the mechanical construction. The additionally arranged next to the electrode F rectangular electrode T is advantageously located in close proximity to the electrode F, but is not connected to conductive. The rectangular regions 10, 13 of the electrodes serve at the same time for contacting the connecting wires for connection to a measuring circuit. In this case, it is advantageous that the regions 10 + 17 + 18 of the electrode T occupy the same surface area as the regions 9 + 12 + 13 of the electrode F. In this way, optimum temperature compensation is possible by means of the electrode T.
Wie in der Figur 3a ebenfalls erkennbar ist, ist das Substrat 7 als metallischer Grundkörper eine elektrische Referenz für die Erfassung der Sensorsignale. Das Substrat 7 liegt dabei beispielsweise auf Massepotenzial. Die Elektroden F, T werden über eine Messschaltung mit einer Spannungsquelle verbunden, deren Potenzial höher liegt als das Massepotenzial. Hierdurch bildet sich ein Stromfluss aus, bei dem die Ladungsträger zunächst über eine Verbindungsstelle in die Elektroden T, F fließen und von dort durch die Sensorschicht zur elektrischen Masse, d. h. über den metallischen Grundkörper des Substrats 7 zur Masse der Spannungsversorgung. Für die Funktion als Messaufnehmer kommen die Bereiche der Anordnung in Frage, in denen ein Stromfluss durch die piezoresistive Beschichtung fließt und eine Widerstandsänderung der Be- schichtung messtechnisch erfasst werden kann. Die piezoresistive Sensorschicht ist prinzipbedingt sehr hochohmig. Aus diesem Grund kommt es nicht zu einem relevanten Stromfluss von einer Elektrode zur anderen, d. h. die Messungen an den einzelnen Elektroden beeinflussen sich gegenseitig nicht. Aufgrund des hohen spezifischen Widerstands der piezoresistiven Sensor- Schicht fließen die Ladungsträger, sozusagen nach dem Prinzip des Wegs des geringsten Widerstands, von einer Elektrode durch die relativ dünne Sensorschicht zur elektrischen Masse des Grundkörpers. Ein Stromfluss über den wesentlich hochohmigeren Weg über benachbarte Elektroden ist vernachlässig- bar. Daher kann jede Elektrode als ein separater, veränderlicher ohmscher Widerstand betrachtet werden. As can also be seen in FIG. 3 a, the substrate 7 as the metallic base body is an electrical reference for the detection of the sensor signals. The substrate 7 is for example at ground potential. The electrodes F, T are connected via a measuring circuit to a voltage source whose potential is higher than the ground potential. This forms a current flow, in which the charge carriers initially flow via a connection point into the electrodes T, F and from there through the sensor layer to the electrical ground, ie via the metallic base body of the substrate 7 to the ground of the power supply. For the function as a sensor, the areas of the arrangement in question in which a current flow through the piezoresistive coating flows and a change in resistance of the coating can be detected by measurement. The piezoresistive sensor layer is inherently very high impedance. For this reason, there is no relevant current flow from one electrode to the other, ie the measurements on the individual electrodes do not influence each other. Due to the high resistivity of the piezoresistive sensor Layer flow the charge carriers, so to speak, according to the principle of the path of least resistance, from an electrode through the relatively thin sensor layer to the electrical mass of the body. A current flow over the much higher-impedance path via adjacent electrodes is negligible. Therefore, each electrode can be considered as a separate, variable resistive resistor.
Die Sensoren F, T sind über elektrische Widerstände Rtrimm und Re an die Kon- stantspannungsquelle U angeschlossen. Statt einer Konstantspannungsquelle kann auch eine Konstantstromquelle verwendet werden. Eine Konstantstromquelle bietet verschiedene Vorteile bei der Übertragung der Messsignale in die Messschaltung, wie z. B. die Möglichkeit zur Erkennung von Leitungsbrüchen oder ausgefallenen Sensoren. Kommt es durch den Einfluss von Druck bzw. Kraft oder Temperatur zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht, kann dieser lokal im Bereich der Elektroden erfasst werden, da er den Stromfluss dort direkt beeinflusst. Für verschiedene Anwendungen besteht ein Bedarf daran, dass die Messung nicht durch Temperatureinflüsse ungenau wird. Es ist daher eine temperaturstabilisierte Messung anzustreben. Zu diesem Zweck wird eine Messschaltung gemäß Figur 3a bzw. Figur 3b verwendet. Bei dieser Messschaltung wird in Reihe zu jeder Elektrode ein externer Widerstand geschaltet. Ergänzt mit einer Spannungsquelle kann dann eine Brückenschaltung aufgebaut werden. Die Querspannung Ub der Brückenschaltung steht dabei in fol- gendem Zusammenhang mit den übrigen Größen der Messschaltung: The sensors F, T are connected to the constant voltage source U via electrical resistors R trim and R e . Instead of a constant voltage source, a constant current source can also be used. A constant current source offers various advantages in the transmission of the measurement signals in the measuring circuit, such. B. the possibility of detecting line breaks or failed sensors. If there is a change in the electrical resistance of the sensor layer due to the influence of pressure or force or temperature, it can be detected locally in the area of the electrodes, since it directly influences the current flow there. For various applications, there is a need for the measurement not to become inaccurate due to temperature effects. It is therefore desirable to have a temperature-stabilized measurement. For this purpose, a measuring circuit according to FIG. 3a or FIG. 3b is used. In this measurement circuit, an external resistor is connected in series with each electrode. Supplemented with a voltage source, a bridge circuit can then be set up. The transverse voltage U b of the bridge circuit stands in the following context with the remaining variables of the measuring circuit:
Figure imgf000015_0001
Eine Änderung der Schichtwiderstände in der Sensorschicht macht sich daher in einer Änderung der Querspannung bemerkbar. Man kann erkennen, dass durch Anpassen des externen Widerstands Rtnmm die Größenverhältnisse so eingestellt werden können, dass die Querspannung zwischen den Brücken- zweigen zu Null wird. Ein solcher Abgleich kann einmalig erfolgen, z. B. im unbelasteten Zustand des Kraftsensors. Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf die Elektrode F, reduziert sich an dieser Stelle der elektrische Widerstand der Sensorschicht. An der Elektrode T kann dies nicht erfolgen, da sie sich nicht innerhalb des kraftbeaufschlagten Bereichs 8 befindet. Die Elektrode T verändert daher ihren Widerstand kraftbedingt nicht. Beide Elektroden F, T unterliegen aber zusätzlich einer temperaturbedingten Widerstandsänderung. Durch in etwa flächenmäßig gleich große Ausbildung der Bereiche 12, 17 und Anordnung der Bereiche 12, 17 nahe beieinander kann eine effiziente Temperaturkompensation erfolgen.
Figure imgf000015_0001
A change in the sheet resistances in the sensor layer therefore manifests itself in a change in the transverse voltage. It can be seen that by adjusting the external resistance Rtnmm, the proportions can be adjusted so that the cross voltage between the bridge branches becomes zero. Such an adjustment can be done once, for. B. in the unloaded state of the force sensor. If there is now a force acting on the electrode F, the electrical resistance of the sensor layer is reduced at this point. This can not be done at the electrode T since it is not within the force-loaded area 8. The electrode T therefore does not change its resistance due to the force. However, both electrodes F, T are additionally subject to a temperature-induced change in resistance. By approximately equal in area formation of the areas 12, 17 and arrangement of the areas 12, 17 close to each other, an efficient temperature compensation can take place.
Als Folge der Kraftbeaufschlagung des Bereichs 12 ändert sich der Widerstand der darunter befindlichen Sensorschicht. Hierdurch sind die Widerstandsverhältnisse der Brückenschaltung nicht mehr so abgestimmt, dass die Querspannung Ub den Wert Null hat. Es ergibt sich somit eine von Null verschiedene Querspannung. Dieser Spannungswert ist dann ein Maß für die einwirkende Kraft auf die Elektrode F, was von einer angeschlossenen Messeinheit 11 er- fasst und verarbeitet werden kann. Die Messeinheit 1 1 kann z.B. einen Operationsverstärker zur Signalverstärkung aufweisen. Kommt es zu einer Temperaturveränderung im Bereich der Sensoren, wirkt sich diese Temperaturveränderung auf die gesamte Sensorschicht in diesem Bereich aus. Entsprechend ändert sich der Widerstand der Sensorschicht in diesem Bereich. Durch die identische Größe der Bereiche 9+12+13 einerseits und der Bereiche 10+17+18 andererseits kommt es dabei nicht zu einem Un- gleichgewicht in der Messung, sondern zu einer Kompensation innerhalb der Brückenschaltung. Es bleibt das Widerstandsverhältnis in den Brückenzweigen gleich, so dass es auch nicht zu einer temperaturbedingten Änderung der Querspannung kommt. Die Schaltung ist somit automatisch temperaturkompensiert. Figur 3b lässt mit dem Schaltdiagramm erkennen, dass die durch die piezore- sistiven Strukturen gebildeten Elektroden T, F mit den Widerständen Rtrimm und Re in einer Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) verschaltet sind. Hierbei entspricht der dargestellte Widerstand RF dem Widerstand der Elektrode F, der Widerstand RT entspricht dem Widerstand der Elektrode T. Hiermit wird eine Temperaturkompensation der Messung erreicht, die notwendig ist, da die Temperatur im Einsatzbereich des Messsystems in der Regel beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein kann. As a result of the application of force to region 12, the resistance of the underlying sensor layer changes. As a result, the resistance ratios of the bridge circuit are no longer adjusted so that the transverse voltage Ub has the value zero. This results in a non-zero transverse stress. This voltage value is then a measure of the acting force on the electrode F, which can be detected and processed by a connected measuring unit 11. The measuring unit 1 1 may, for example, have an operational amplifier for signal amplification. If there is a temperature change in the area of the sensors, this temperature change affects the entire sensor layer in this area. Accordingly, the resistance of the sensor layer changes in this area. Due to the identical size of the areas 9 + 12 + 13 on the one hand and the areas 10 + 17 + 18 on the other hand, there is no unbalance in the measurement, but a compensation within the bridge circuit. It remains the resistance ratio in the bridge branches equal, so that it does not come to a temperature-induced change in the transverse stress. The circuit is thus automatically temperature compensated. FIG. 3b shows with the circuit diagram that the electrodes T, F formed by the piezoresistive structures are connected to the resistors R trim and R e in a bridge circuit (Wheatstone bridge). Here, the illustrated resistance R F corresponds to the resistance of the electrode F, the resistance R T corresponds to the resistance of the electrode T. This temperature compensation of the measurement is achieved, which is necessary because the temperature in the application of the measuring system usually be subject to considerable fluctuations can.
Die Temperaturkompensation der Messung wird durch die Anwendung einer Viertelbrückenschaltung realisiert. Hierbei werden die elektrischen Widerstände RT und RF des jeweiligen Sensorpunktes durch zwei externe Widerstände Rtrimm und RE ergänzt, die in einem separaten Modul zusammen mit der zur Signalerfassung und -auswertung notwendigen Elektronik untergebracht sind und unter anderem auch die Abstimmung der Brückenspannung ermöglichen. Bei dieser Art der Temperaturkompensation wird davon ausgegangen, dass sowohl die externen Widerstände Rtrimm und Re wie auch die Strukturen des Sensorpunktes jeweils ein weitgehend identisches Temperaturverhalten zeigen und auch gleichen Temperaturen ausgesetzt sind. Auf diese Weise bleibt die Brückenspannung auch bei Änderung der Temperatur entweder im Elektronikmodul oder am Wälzlager konstant. Neben der Temperaturkompensation ist die Störu- nempfindlichkeit dieser Schaltung ein weiterer Vorteil. Insbesondere Störungen im Massepotential koppeln durch den Aufbau als Brückenschaltung als Gleichtaktstörungen in beide Brückenzweige synchron ein und verfälschen so nicht die gemessene Brückenspannung. Der Stromfluss in dieser Viertelbrücken-Schaltung ist derart, dass an den pie- zoresistiven Sensorstrukturen der Strom durch die Kontaktstellen in die piezoresistive Schicht eintritt, diese durchdringt und über das Substrat 7 wieder abfließt. Da sich der Strom hierbei bedingt durch das Prinzip des geringsten Wi- derstands den kürzesten Weg, das heißt senkrecht durch die Schicht, sucht, kommt es trotz der homogen auf das Substrat 7 aufgetragenen piezoresistiven Sensorschicht nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Sensorstrukturen. Der Aufbau der piezoresistiven Sensoren ist in der Figur 4 skizziert. Das Substrat 7 dient als Träger für eine flächig aufgebrachte piezoresistive Sensorschicht 14 bestehend aus einer dotierten oder undotierten Kohlenwasserstoffschicht. Als Dotierungsmaterialien kommen beispielsweise Metalle, wie Wolfram, Chrom, Silber, Titan, Gold, Platin etc. in Frage. Als Material für die Sen- sorschicht 14 sind auch reine oder amorphe Kohlenstoffschichten möglich. The temperature compensation of the measurement is realized by the application of a quarter-bridge circuit. Here, the electrical resistances R T and RF of the respective sensor point are complemented by two external resistors R trim and R E , which are housed in a separate module together with the necessary for signal detection and evaluation electronics and allow inter alia, the vote of the bridge voltage. In this type of temperature compensation, it is assumed that both the external resistors R trim and R e as well as the structures of the sensor point each show a largely identical temperature behavior and are also exposed to the same temperatures. In this way, the bridge voltage remains constant even when changing the temperature either in the electronic module or the rolling bearing. In addition to the temperature compensation, the noise sensitivity of this circuit is a further advantage. In particular, disturbances in the ground potential coupled by the structure as a bridge circuit as common mode noise in both bridge arms synchronously and so do not distort the measured bridge voltage. The current flow in this quarter-bridge circuit is such that the current enters the piezoresistive layer through the contact points at the piezoresistive sensor structures, penetrates them and flows away again via the substrate 7. Since, due to the principle of least resistance, the current seeks the shortest path, that is to say perpendicularly through the layer, despite the piezoresistive sensor layer homogeneously applied to the substrate 7, the individual sensor structures do not influence one another. The construction of the piezoresistive sensors is sketched in FIG. The substrate 7 serves as a carrier for a piezoresistive sensor layer 14 applied in a planar manner, consisting of a doped or undoped hydrocarbon layer. Examples of suitable doping materials are metals such as tungsten, chromium, silver, titanium, gold, platinum, etc. Pure or amorphous carbon layers are also possible as material for the sensor layer 14.
Auf die piezoresistive Sensorschicht 14 sind strukturierte Elektroden 15 zur Kraftmessung und zur Temperaturkompensation aufgebracht. Diese strukturierten Elektroden 15 bestehen aus einer dünnen Metallschicht, wie z. B. Chrom, Titan, Chrom-Nickel-Verbindungen etc. Die strukturierten Elektroden haben die in Figur 3 gezeigte und diskutierte Form und bilden die Bereiche 10, 12, 13, 17, 18. On the piezoresistive sensor layer 14 structured electrodes 15 are applied for force measurement and temperature compensation. These structured electrodes 15 are made of a thin metal layer, such as. Chromium, titanium, chromium-nickel compounds, etc. The patterned electrodes have the shape shown and discussed in Figure 3 and form the regions 10, 12, 13, 17, 18.
Die piezoresistive Sensorschicht 14 sowie die strukturierten Elektroden 15 sind mit einer Isolations- und Verschleißschutzschicht 16 abgedeckt, die z. B. aus einer siliziumdotieren Kohlenwasserstoffschicht gebildet ist. Denkbar ist auch die Verwendung von Silizium-Sauerstoff-, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid- dotierten Kohlenwasserstoffschichten. Bei dem dargestellten Schichtsystem haben alle Sensorstrukturen der piezoelektrischen Messaufnehmer dieselbe elektrische Masse, für die das metallische Substrat 7 verwendet wird. Ein piezoresistiver Dünnschichtsensor bestehend aus einer auf einem Träger angeordneten Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften und Elektrodenstrukturen auf der piezoresistiven Sensorschicht ist zudem aus der DE 10 2006 019 942 A1 bekannt. In der Figur 5 ist eine vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit des Kraftsensors 1 dargestellt. Die Figur 5 zeigt eine Klauenkupplung 50 mit einem ersten Kupplungsteil 51 und einem zweiten, dem ersten Kupplungsteil 51 zugeordneten Kupplungsteil 52. Das zweite Kupplungsteil 52 weist vorstehende Klauen 53, 54 auf. Das erste Kupplungsteil 51 weist Klauenaufnahmen 55, 56 auf, die zur Aufnahme der Klauen 53, 54 vorgesehen sind. In die Klauen 53, 54 ist jeweils ein Kraftsensor 1 integriert. Die Kraftsensoren 1 sind in den Klauen 53, 54 derart angeordnet, dass die durch die Klauenaufnahmen 55, 56 auf die Klauen 53, 54 übertragenen Kräfte auf die jeweiligen Sensorbereiche 12 der Kraftsensoren 1 wirken. The piezoresistive sensor layer 14 and the structured electrodes 15 are covered with an insulation and wear protection layer 16, the z. B. is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer. Also conceivable is the use of silicon-oxygen, aluminum oxide or aluminum nitride-doped hydrocarbon layers. In the illustrated layer system, all the sensor structures of the piezoelectric sensors have the same electrical mass, for which the metallic substrate 7 is used. A piezoresistive thin-film sensor comprising a hydrocarbon layer with piezoresistive properties and electrode structures on the piezoresistive sensor layer arranged on a carrier is also known from DE 10 2006 019 942 A1. In the figure 5 an advantageous use of the force sensor 1 is shown. FIG. 5 shows a dog clutch 50 having a first coupling part 51 and a second coupling part 52 assigned to the first coupling part 51. The second coupling part 52 has protruding claws 53, 54. The first coupling part 51 has claw receptacles 55, 56 which are provided for receiving the claws 53, 54. In the claws 53, 54 each have a force sensor 1 is integrated. The force sensors 1 are arranged in the claws 53, 54 such that the forces transmitted by the claw receptacles 55, 56 to the claws 53, 54 act on the respective sensor regions 12 of the force sensors 1.
Durch die mit Kraftsensoren 1 versehene Klauenkupplung 50 kann eine Mo- mentenmesswelle bzw. eine Momenteneichwelle geschaffen werden. Die Kraftsensoren 1 sind in der Klauenkupplung 50 derart angeordnet, dass Kräfte in beiden Drehrichtungen gemessen werden können. By means of the claw coupling 50 provided with force sensors 1, a momentary measuring shaft or a torque calibration shaft can be created. The force sensors 1 are arranged in the dog clutch 50 such that forces in both directions of rotation can be measured.
Bisher werden zur Messung von Drehmomenten Messwellen oder Messflansche verwendet, die mit Dehnungsmessstreifen bestückt sind. Bei solchen Messverfahren führt die Verformung des Trägermaterials, d.h. der Messwelle bzw. des Messflansches, zu einer Dehnung der Dehnungsmessstreifen, was wiederum zu einer Widerstandsänderung des Messstreifens führt, die als Maß für die Bestimmung des anliegenden Moments herangezogen wird. Solche Realisierungen mit Dehnungsmessstreifen haben den Nachteil, dass eine genaue Kenntnis der Dehnungseigenschaften des Trägermaterials für eine präzise Drehmomentenmessung erforderlich ist. Die Eigenschaften des Trägermaterials müssen daher, da sie einer Alterung unterliegen, regelmäßig geprüft wer- den, d.h. es ist eine regelmäßige Eichung solcher Messwellen oder Messflansche erforderlich. So far, measuring shafts or measuring flanges are used to measure torques, which are equipped with strain gauges. In such measuring methods, the deformation of the carrier material, ie the measuring shaft or the measuring flange, leads to an expansion of the strain gauges, which in turn leads to a change in resistance of the measuring strip, which is used as a measure for the determination of the applied torque. Such Strain gauge designs have the disadvantage of requiring accurate knowledge of the strain characteristics of the substrate for accurate torque measurement. The properties of the carrier material must therefore be checked regularly, since they are subject to aging, ie regular calibration of such measuring shafts or measuring flanges is required.
Durch die vorgeschlagene Integration von Kraftsensoren in die Klauenkupplung können die genannten Nachteile überwunden werden. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftsensors ermöglicht die Produktion von hochgenauen Messwellen oder Messflanschen ohne die Notwendigkeit, die Materialeigenschaften des Trägermaterials genau zu kennen und regelmäßig zu prüfen. The proposed integration of force sensors in the dog clutch, the disadvantages mentioned can be overcome. The use of the force sensor according to the invention enables the production of high-precision measuring shafts or measuring flanges without the need to know the material properties of the substrate accurately and to check regularly.
Die durch die Kraftsensoren gemessene Kraft ist dabei proportional zum Drehmoment, das über die Klauen der Klauenkupplung übertragen wird. Sofern lediglich eine Drehmomentübertragung in eine Drehrichtung gemessen werden soll, ist lediglich ein Kraftsensor 1 erforderlich. The force measured by the force sensors is proportional to the torque that is transmitted via the jaws of the dog clutch. If only a torque transmission to be measured in one direction of rotation, only one force sensor 1 is required.
Die Figur 6 zeigt eine Lagerstelle 60 mit einem Kugellager 61 , 62, 63 und acht Kraftsensoren 1. Die Lagerstelle 60 ist zur besseren Erkennbarkeit der Anordnung der Kraftsensoren 1 teilweise geschnitten dargestellt, so dass zwei Kraftsensoren 1 erkennbar sind. Die übrigen sechs Kraftsensoren sind gleichmäßig über den Umfang der Lagerstelle 60 verteilt. Erkennbar sind die elektrischen Anschlusskabel 4 der Kraftsensoren 1 , die aus jeweiligen Durchgangsöffnun- gen 66 eines äußeren Gehäuseteils 65 der Lagerstelle herausgeführt sind. 6 shows a bearing 60 with a ball bearing 61, 62, 63 and eight force sensors 1. The bearing 60 is shown partially cut to better recognizability of the arrangement of the force sensors 1, so that two force sensors 1 can be seen. The remaining six force sensors are distributed uniformly over the circumference of the bearing 60. Visible are the electrical connection cables 4 of the force sensors 1, which are led out of respective passage openings 66 of an outer housing part 65 of the bearing.
Die Lagerstelle 60 weist ein äußeres Gehäuseteil 65 und ein inneres Gehäuseteil 64 auf. Zwischen dem äußeren Gehäuseteil 65 und dem inneren Gehäuseteil 64 ist ein Kugellager angeordnet. Das Kugellager weist einen inneren La- gerring 61 , einen äußeren Lagerring 63 sowie eine Mehrzahl von Kugeln 62 auf, die zusammen mit einem Kugelhalteelement zwischen dem inneren Lager- ring 61 und dem äußeren Lagerring 63 angeordnet sind. Auf einer unteren Gehäusewand des äußeren Gehäuseteils 65 sind Kraftsensoren 1 sternförmig um das Zentrum der Lagerstelle 60 herum angeordnet. Die Kraftsensoren 1 sind dabei mit ihrem Sensorbereich 12 unterhalb des Außenrings 63 des Kugella- gers zwischen dem Außenring 63 und der unteren Wand des äußeren Gehäuseteils 65 angeordnet. Hierdurch können in Längsrichtung des Kugellagers wirkende Kräfte, die beispielsweise aufgrund von Lagerungenauigkeiten oder Lagerschäden von den Kugeln 62 auf den Außenring 63 übertragen werden, über die Kraftsensoren 1 erfasst werden. The bearing 60 has an outer housing part 65 and an inner housing part 64. Between the outer housing part 65 and the inner housing part 64, a ball bearing is arranged. The ball bearing has an inner bearing ring 61, an outer bearing ring 63 and a plurality of balls 62 which, together with a ball-holding element between the inner bearing ring 61 and the outer bearing ring 63 are arranged. On a lower housing wall of the outer housing part 65 force sensors 1 are arranged in a star shape around the center of the bearing 60 around. The force sensors 1 are arranged with their sensor region 12 below the outer ring 63 of the ball bearing between the outer ring 63 and the lower wall of the outer housing part 65. As a result, forces acting in the longitudinal direction of the ball bearing, which are transmitted from the balls 62 to the outer ring 63, for example due to bearing inaccuracies or bearing damage, can be detected via the force sensors 1.
Im Bereich der Lagerüberwachung stellt heutzutage die Verwendung von Beschleunigungsaufnehmern den gängigen Stand der Technik dar. Beschleunigungsaufnehmer zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, wodurch es möglich ist, sie am Lagerbock oder Maschinengehäuse zu montieren und mittels geeigneter Methoden der Signalverarbeitung Rückschlüsse auf den Zustand des betrachteten Wälzlagers zu ziehen. Eine solche Art der Lagerüberwachung hat jedoch auch Nachteile. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Sensoren setzt sich das Messsignal sowohl aus den Vibrationen des zu überwachenden Lagers als auch aus den Vibrationen anderer schwingender Kom- ponenten des Gesamtsystems zusammen, deren Schwingungen über die Struktur zum Beschleunigungsaufnehmer übertragen werden. Hierdurch ist keine genaue Differenzierung zwischen den Ursachen der erfassten Schwingungen möglich. Daher kann wohl die Tatsache eines Lagerschadens erkannt werden, die Quelle des Schadens aber nicht eindeutig zugeordnet werden. Ein weiterer Nachteil der Lagerüberwachung mittels Beschleunigungssensoren besteht darin, dass die Beschleunigungssensoren nicht direkt am Lager angeordnet werden können. Somit können die vom Lager hervorgerufenen Vibrationen erst detektiert werden, nachdem sie sich vom Lager in den Lagerbock und von dort in den Beschleunigungssensor ausgebreitet haben. Hierdurch verschlech- tert sich die Signalgüte, was zu einer verzögerten Erkennung von Lagerschäden führt. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kraftsensoren direkt in einem Lager können diese Nachteile überwunden werden. Die Kraftsensoren können damit als Lagerüberwachungssensorik direkt einem Spalt zwischen einem La- ger und einem Lagersitz angeordnet werden, was eine direktere Sensierung ermöglicht. Hierdurch kann eine Fehlererkennung in Lagern als auch eine genaue Lokalisierung des Fehlers schneller und zuverlässiger durchgeführt werden. Entsprechende Defekte im Lager wirken sich dabei auf unterschiedliche Druckverteilungen an der Lagerstirn und damit unterschiedliche erfasste Kräfte der Kraftsensoren aus. Accelerometers are characterized by a high sensitivity, which makes it possible to mount them on the bearing block or machine housing and draw conclusions about the condition of the considered by means of suitable signal processing methods in the field of bearing monitoring To pull rolling bearing. However, such a kind of bearing control also has disadvantages. Due to the high sensitivity of the sensors, the measuring signal is composed both of the vibrations of the bearing to be monitored and of the vibrations of other oscillating components of the overall system, whose vibrations are transmitted via the structure to the accelerometer. As a result, no precise differentiation between the causes of the detected vibrations is possible. Therefore, the fact of a bearing damage can be recognized, but the source of the damage can not be clearly assigned. Another disadvantage of bearing monitoring by means of acceleration sensors is that the acceleration sensors can not be arranged directly on the bearing. Thus, the vibrations caused by the bearing can not be detected until they have spread from the bearing into the bearing block and from there into the acceleration sensor. As a result, the signal quality deteriorates, which leads to a delayed detection of bearing damage. By using the force sensors according to the invention directly in a warehouse, these disadvantages can be overcome. The force sensors can thus be arranged as a bearing monitoring sensor directly a gap between a bearing and a bearing seat, which allows a more direct sensing. This allows fault detection in warehouses as well as accurate localization of the fault to be performed faster and more reliably. Corresponding defects in the bearing have an effect on different pressure distributions on the bearing face and thus different detected forces of the force sensors.

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezoresistiver Kraftsensor mit einem Substrat (7), wenigstens einer auf der Oberfläche des Substrats (7) mit dotiertem oder undotiertem Kohlen- Wasserstoff oder reinem Kohlenstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht, wenigstens einer auf die piezoresistive Sensorschicht aufgebrachten ersten Elektrode (12) und wenigstens einer die piezoresistive Sensorschicht und die erste Elektrode abdeckenden Isolations- und Verschleißschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1) als separates Bauteil hergestellt ist, das nach seiner Herstellung in ein anderes Bauelement einsetzbar oder damit verbindbar ist. 1. Piezoresistive force sensor with a substrate (7), at least one on the surface of the substrate (7) with doped or undoped carbon hydrogen or pure carbon formed piezoresistive sensor layer, at least one applied to the piezoresistive sensor layer first electrode (12) and at least one the piezoresistive sensor layer and the first electrode covering insulation and wear protection layer, characterized in that the force sensor (1) is made as a separate component, which can be used after its production in another component or connectable thereto.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1 ) wenigstens ein Befestigungselement (5, 6) aufweist, mittels dem der Kraftsensor (1 ) an einem anderen Bauelement montierbar ist. 2. Force sensor according to claim 1, characterized in that the force sensor (1) has at least one fastening element (5, 6), by means of which the force sensor (1) can be mounted on another component.
3. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (1 ) wenigstens ein Gehäuse (2) aufweist, an dem das Substrat (7) befestigt ist oder wenigstens ein Teil des Gehäu- ses (2) das Substrat (7) bildet, wobei das Gehäuse (2) wenigstens ein Befestigungselement (5, 6) aufweist, mittels dem der Kraftsensor (1 ) an einem anderen Bauelement montierbar ist. 3. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (1) has at least one housing (2) on which the substrate (7) is attached or at least a part of the housing (2) the substrate (7 ), wherein the housing (2) has at least one fastening element (5, 6) by means of which the force sensor (1) can be mounted on another component.
4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das der Kraftsensor (1 ) eine in den Kraftsensor integrierte4. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (1) integrated into the force sensor
Auswerteschaltung (19), insbesondere eine Messbrücke und/oder einen Signalverstärker, aufweist, die einerseits mit dem Substrat (7) und der ersten Elektrode (12) und andererseits mit wenigstens einem von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement (4) verbunden ist. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Elektrode (17) auf der piezoresistiven Sensorschicht oder einer weiteren auf der Oberfläche des Substrats (7) aufgebrachten, piezoresistiven Sensorschicht vorgesehen ist, wobei die zweite Elektrode (17) mit der Isolations- und Verschleißschutzschicht oder einer weiteren Isolations- und Verschleißschutzschicht abgedeckt ist, wobei die zweite Elektrode (17) mit dem Substrat (7) einen Temperatursensor bildet. Evaluation circuit (19), in particular a measuring bridge and / or a signal amplifier, which is connected on the one hand to the substrate (7) and the first electrode (12) and on the other hand with at least one externally contactable electrical connection element (4). Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second electrode (17) on the piezoresistive sensor layer or another on the surface of the substrate (7) applied, piezoresistive sensor layer is provided, wherein the second electrode (17) with the insulation and wear protection layer or another insulation and wear protection layer is covered, wherein the second electrode (17) with the substrate (7) forms a temperature sensor.
Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (17) ist als Temperaturkompensationselement mit der ersten Elektrode (12) verschaltet ist. Force sensor according to claim 5, characterized in that the second electrode (17) is connected as a temperature compensation element with the first electrode (12).
Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Elektrode, die mit dem Substrat einen Kraftsensor bildet, und eine vierte Elektrode, mit dem Substrat einen Temperatursensor bildet, vorgesehen sind, wobei die erste, die zweite, die dritte und die vierte Elektrode miteinander zu einer Vollbrückenschaltung verbunden sind. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a third electrode, which forms a force sensor with the substrate, and a fourth electrode, with which the substrate forms a temperature sensor, are provided, wherein the first, the second, the third and the fourth Electrode are connected together to form a full bridge circuit.
Verwendung eines Kraftsensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Drehmomentmessung, zur Drehzahlmessung und/oder zur Erkennung von Drehunregelmäßigkeiten eines drehenden Bauteils. Use of a force sensor according to one of the preceding claims for torque measurement, for measuring rotational speed and / or for detecting rotational irregularities of a rotating component.
Verwendung eines Kraftsensors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Lastmessung und/oder zur Lastbegrenzung bei einem lastübertragenden Bauteil. Use of a force sensor according to at least one of claims 1 to 6 for load measurement and / or load limiting in a load-transmitting component.
10. Verfahren zur Bereitstellung eines piezoresistiven Kraftsensors mit den Schritten: Bilden einer piezoresistiven Sensorschicht durch Aufbringen von dotiertem oder undotiertem Kohlenwasserstoff oder reinem Kohlenstoff auf die Oberfläche eines Substrats (7), 10. A method of providing a piezoresistive force sensor comprising the steps of: Forming a piezoresistive sensor layer by applying doped or undoped hydrocarbon or pure carbon to the surface of a substrate (7),
Aufbringen wenigstens einer ersten Elektrode (12) auf die piezoresistive Sensorschicht,  Applying at least one first electrode (12) to the piezoresistive sensor layer,
Aufbringen wenigstens einer die piezoresistive Sensorschicht und die erste Elektrode (12) abdeckenden Isolations- und Verschleißschutzschicht,  Applying at least one insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the first electrode (12),
Vorsehen eines ersten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements (20), das direkt oder indirekt mit dem Substrat (7) verbunden ist, und wenigstens eines zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements (21 ), das direkt oder indirekt mit der wenigstens einen ersten Elektrode (12) verbunden ist, zur elektrischen Kontaktierung des Kraftsensors (1 ),  Providing a first externally contactable electrical connection element (20) which is connected directly or indirectly to the substrate (7), and at least one second externally contactable electrical connection element (21) which is directly or indirectly connected to the at least one first electrode (12 ), for electrically contacting the force sensor (1),
Separieren des Kraftsensors als separates Bauteil. Separate the force sensor as a separate component.
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