Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Kontaktkraft-Prüf orrichtung mit einem Messtaster, eine Verwendung einer solchen Kontaktkraft- Prüf orrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktkraft-PrüfVorrichtung .

Stand der Technik Piezoelektrisches Material wird vielerorts zum Aufnehmen von Druck, Kraft und Beschleunigung verwendet. Wie im Buch „Pie- zoelectric Sensors" von G. Gautschi, veröffentlicht im Sprin ^¬ ger Verlag beschrieben, lässt sich ein piezoelektrischer Kristall wie Quarz (Si0 ₂ Einkristall) , Calcium-Gallo-Germanat (Ca3Ga ₂ Ge ₄ 0i ₄ oder CGG) , Langasit (La3Ga ₅ SiOi ₄ oder LGS) , Turma- lin, Galliumorthophosphat , usw. in plattenförmige- oder stab- förmige Elemente schneiden, welche Elemente mechanischen Spannungen ausgesetzt werden. Ein piezoelektrischer Aufnehmer bildet somit einen Kondensator, bei dem das piezoelektrische Material zwischen zwei Abnehmerelektroden angeordnet ist. Beim direkten piezoelektrischen Effekt werden dabei elektrische Polarisationsladungen erzeugt, die proportional zur Grösse der mechanischen Spannungen sind. Werden die elektrischen Polarisationsladungen auf piezoelektrischen Material- Oberflächen erzeugt, deren Flächennormale parallel zur wir ^¬ kenden mechanischen Normalspannung ist, so liegt ein longitu- dinaler piezoelektrischer Effekt vor. Werden die elektrischen Polarisationsladungen auf piezoelektrischen Materialoberflächen erzeugt, deren Flächennormale senkrecht zur wirkenden mechanischen Normalspannung ist, so liegt ein transversaler piezoelektrischer Effekt vor. Über Abnehmerelektroden werden die elektrischen Polarisationsladungen als Ausgangssignal abgenommen. Der elektrische Isolationswiderstand zwischen den Abnehmerelektroden beträgt über 10ΤΩ.

Neben piezoelektrischen Kristallen lassen sich auch Piezoke- ramiken wie Bariumtitanat (BaTiOs) , Mischungen (PZT) aus Bleititanat (PbTiOs) und Bleizirkonat (PbZrOs) , usw. sowie piezoelektrische Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) , Polyvinylfluorid (PVF) , Polyvinylchlorid (PVC) , usw. als pie ^¬ zoelektrisches Material verwenden, wie in DE2831938A1 offenbart .

Elektrische Steckverbindungen weisen männliche Kontaktelemente wie Kontaktstecker, Kontaktstifte, usw. und weibliche Kon ^¬ taktelemente wie Kontaktkupplungen, Kontaktbuchsen, usw. auf. Die männlichen- und weiblichen Kontaktelemente sind bei- spielsweise über Kraftschluss reversibel miteinander kontak- tierbar. So sind Lamellenkontakte bekannt, mit einer Kontakt ^¬ buchse die in Längsrichtung mehrere durch Schlitze beabstan- dete Lamellen aufweist, welche Lamellen einen eingesteckten Kontaktstift im Bereich einer Kontaktüberdeckung aussenseitig über Federkraft halten. Solche Kontakte müssen oft eine ge ^¬ normte Kontaktkraft erfüllen. Bei der Produktion der elektrischen Steckverbindungen wird daher im Rahmen der Qualitätskontrolle geprüft, ob die Kontaktkraft vordefinierte Sollwer ^¬ te erfüllt. Dabei wird auch geprüft, ob die elektrischen Steckverbindungen bei erhöhten Einsatztemperaturen von 140 °C oder auch 160°C zuverlässig miteinander kontaktieren.

Piezoelektrische Polymere lassen sich als dünne Lagen von kleiner lOOym Dicke herstellen, was mit piezoelektrischen Kristallen nicht möglich ist. Die Mindestdicke von piezoe ^¬ lektrischen Kristallen liegt bei lOOym. Somit sind piezoelektrische Polymere für sehr flach bauende Aufnehmer prädes ^¬ tiniert Auch weist PVDF eine rund lOmal höhere piezoelektri ^¬ sche Empfindlichkeit als S1O ₂ Einkristall auf. Andererseits ist der Elastizitätsmodul von PVDF rund 40mal kleiner als derjenige von S1O ₂ Einkristall, was zu einer vergleichsweise geringen Steifigkeit führt, wodurch PVDF nur eingeschränkt mechanisch belastbar ist, was wiederum vergleichsweise quali ^¬ tativ schlechte Ausgangssignalen mit hohen Hysteresen und Ab- weichungen von der Linearität zur Folge hat. Auch hat PVDF eine hohe Temperaturabhängigkeit der piezoelektrischen Eigen ^¬ schaften, wodurch sein Einsatzbereich auf Temperaturen kleiner 80°C begrenzt, während piezoelektrische Kristalle wie LGS auch noch bei Temperaturen von 600°C einsetzbar sind. Aus der DE4003552A1 ist eine Kontaktkraft-PrüfVorrichtung mit einem Messtaster zur Messung der Kontaktkraft bei elektrischen Steckverbindungen bekannt. Der Messtaster weist einen piezoelektrischen Aufnehmer auf, der aus einer Lage piezoelektrischer Polymere, welche in Richtung ihrer länglichen Ausdehnung mittig zwischen zwei Lagen mit Abnehmerelektroden angeordnet ist, besteht. Der piezoelektrische Aufnehmer ist elektrisch isoliert. Dazu sind oberhalb und unterhalb einer jeden Lage Abnehmerelektroden jeweils eine Lage elektrisches Isolationsmaterial und darüber und darunter wiederum jeweils eine Deckplatte angeordnet. Die zu prüfende Kontaktbuchse ist über die Deckplatten mit dem Messtaster kontaktierbar, dazu wird der Messtaster in die Kontaktbuchse getaucht. Die Länge, mit der der Messtaster in die Kontaktbuchse taucht, wird Kon- taktüberdeckung genannt. Breite und Dicke des Messtasters be ^¬ tragen 0.7mm, die Länge der Kontaktüberdeckung beträgt 1.0mm.

Nun werden die Abmessungen von elektrischen Steckverbindungen immer kleiner und dementsprechend muss auch die Kontaktkraft- PrüfVorrichtung immer kleiner bauen. Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Kontaktkraft- PrüfVorrichtung weiter zu miniaturisieren und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktkraft-PrüfVorrichtung bereitzustellen. Zudem wird eine Verwendung einer Kontaktkraft-Prüfvorrichtung zum Prüfen der elektrischen Steckver- bindungen bei erhöhten Einsatztemperaturen gefordert. Schliesslich soll die Kontaktkraft-PrüfVorrichtung möglichst einfach aufgebaut, günstig herstellbar, robust und steif sein, eine hohe Standzeit, eine hohe Verfügbarkeit und eine hohe Messgenauigkeit gewähren. Auch diese weiteren Aufgaben sind der Erfindung gestellt.

Darstellung der Erfindung

Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Erfindung betrifft eine Kontaktkraft-PrüfVorrichtung, mit einem Messtaster, welcher mit einem elektrischen Kontaktelement kontaktierbar ist und eine Kontaktkraft eines Kontakts mit dem elektrischen Kontaktelement misst, und wobei der Messtaster piezoelektrisches Material aufweist, welches die Kontaktkraft in einem Kontaktbereich aufnimmt und Polarisati ^¬ onsladungen erzeugt. Der Messtaster weist eine Abnehmerelekt ^¬ rode auf, welche im Kontaktbereich in Richtung einer Dicken- ausdehnung des Messtasters vollständig von piezoelektrischem Material umgeben ist und die Polarisationsladungen abnimmt.

Ein erfindungsgemässer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik nach der DE4003552A1 liegt also darin, dass die intrinsischen Isolationseigenschaften des piezoelektrischen Materials verwendet werden, um den Messtaster elektrisch zu isolieren. Im Kontaktbereich in Richtung der Dickenausdehnung des Messtasters wird somit kein weiteres elektrisches Isolations ^¬ material benötigt, was die Dicke des Messtasters verringert und dessen Aufbau vereinfacht. Solch elektrisches Isolations- material wie Keramik, Al20 ₃ -Keramik, usw. ist aufwändig und somit teuer in der Bearbeitung, was die Herstellung der Kontaktkraft-Prüfvorrichtung vereinfacht und günstig macht. Auch weist solch weiteres elektrisches Isolationsmaterial über die Lebensdauer und bei hoher Einsatztemperatur eine Abnahme des Isolationswertes, was den Einsatz bei erhöhten Temperaturen sowie die Standzeit und Verfügbarkeit der Kontaktkraft- PrüfVorrichtung einschränkt.

Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer solchen Kontaktkraft-PrüfVorrichtung und ein Verfahren zur Herstel- lung einer solchen Kontaktkraft-PrüfVorrichtung . Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen

Fig. 1 schematisch in Ansicht eine elektrische Steckverbindung, die in einem Kontaktbereich mit einer Kontaktkraft reversibel kontaktiert ist;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Kontaktkraft-Prüfvorrichtung mit Messtaster;

Fig. 3 eine Ansicht einer Ausführungsform eines weiblichen

Kontaktelement, dessen Kontaktkraft mit der Kon ^¬ taktkraft-Prüfvorrichtung nach Fig. 2 messbar ist;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Ausschnitt der Kontakt ^¬ kraft-Prüfvorrichtung nach Fig. 2 mit Details zum Messtaster;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Ausschnitt der Kontakt ^¬ kraft-Prüfvorrichtung nach Fig. 4 mit Details zum Kontaktbereich des Messtasters;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Ausschnitt der Kontakt ^¬ kraft-Prüfvorrichtung nach Fig. 5 mit Details zum Aufbau des Messtasters;

Fig. 7 eine perspektivische Sicht der Kontaktkraft- PrüfVorrichtung nach Fig. 2; Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt der Kontaktkraft-Prüf orrichtung nach Fig. 5 mit Details zum Aufbau des Messtasters im Kontaktbereich;

Fig. 9 einen Schnitt durch einen Ausschnitt der Kontakt- kraft-Prüf orrichtung nach Fig. 4 mit Details zur

Schutzkappe und zur Schutzhülle des Messtasters;

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Ausschnitt des Messtas ^¬ ters nach Fig. 9 mit Details zur Schutzhülle des Messtasters im Kontaktbereich; und Fig. 11 einen Schnitt durch einen Ausschnitt des Messtas ^¬ ters nach Fig. 9 mit Details zur Schutzhülle des Messtasters im Befestigungsbereich.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 gibt schematisch in Ansicht eine elektrische Steckver- bindung wieder. Die elektrische Steckverbindung weist ein männliches Kontaktelement in Form eines Kontaktstifts 1 auf und sie weist ein weibliches Kontaktelement in Form einer Kontaktbuchse 2 auf. Der Kontaktstift 1 ist reversibel mit der Kontaktbuchse 2 kontaktierbar . Dazu wird der Kontaktstift 1 in die Kontaktbuchse 2 getaucht, so dass sich die beiden Kontaktelemente bereichsweise überdecken. Der Kontaktstift 1 ist im entsprechenden Bereich der Kontaktüberdeckung strichpunktiert dargestellt. In einem mit begrenzenden Strichlinien gekennzeichneten Kontaktbereich 3 findet ein Kraftschluss statt. Die Kontaktbuchse 2 ist im Bereich der Kontaktüberde ^¬ ckung geschlitzt, beispielsweise sind mehrere Kontaktbuchsen- lamellen 21, 21 ^λ bereichsweise durch mindestens einen Kontaktbuchsenschlitz 22 voneinander beabstandet und bilden somit ein Federelement. Eine Kontaktkraft F wird durch nach aussen biegen dieses Federelements erzeugt. Die Kontaktbuchse 2 kann mehrere, beispielsweise sechs Kontaktbuchsenlamellen aufweisen. Die Kontaktelemente sind aus metallischem Werkstoff wie Kupfer, Kupferlegierungen, usw. gefertigt. Der Durchmesser des Kontaktstifts 1 liegt im Bereich von 0.35mm bis 25.4mm. Je nach Grösse der Kontaktelemente liegt die Kon- taktkraft F im Bereich von IN bis ION. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann das Federelement auch am männlichen Kontaktelement wie bei einem 4mm-Federstecker (Bananenste ^¬ cker) angebracht sein.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Kontaktkraft-PrüfVorrichtung 10 mit Messtaster 100. Der Messtaster 100 ist mit einem in Fig. 3 abgebildeten weiblichen Kontaktelement in Form einer Kontaktbuchse 2 kontaktier- bar. Messtaster 100 und Kontaktbuchse 2 sind weitgehend kreissymmetrisch bezüglich einer Mittenachse XX ^λ aufgebaut. Eine längliche Ausdehnung von Messtaster 100 und Kontaktbuchse 2 verläuft parallel zu deren Mittenachse XX ^λ . In den Fig. 2, 4, 7 und 9 ist die Mittenachse XX ^λ des Messtasters 100 in einem Mittelpunkt des Messtasters 100 gezeichnet. Die Fig. 2, 4, 5, 6 und 9 sind in Richtung einer Dickenausdehnung des Messtasters 100 geschnitten. Die Dickenausdehnung des Messtasters 100 verläuft normal zur länglichen Ausdehnung des Messtasters 100. Details zum Messtaster 100 sind in Fig. 4 abgebildet. Details zu einem Kontaktbereich 3 des Messtasters 100 sind in Fig. 5 bis 8 dargestellt. Details zu einer Schutzhülle 107 des Messtasters 100 sind in Fig. 9 bis 11 dargestellt. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann ein Fachmann den Messtaster abwandeln, um den Messtaster mit einem männlichen Kontaktelement zu kontaktieren.

Zum Messen einer Kontaktkraft F des weiblichen Kontaktele- ments wird der Messtaster 100 bezüglich der Mittenachse XX ^λ schräg unterhalb dem Federelement des weiblichen Kontaktele ^¬ ments positioniert. Mit schräg werden Winkel bezeichnet, die von 0° oder 180° verschieden sind, Winkel von 0° oder 180° werden als parallel bezeichnet. Die Kontaktkraft F wird als Normalkontaktkraft gemessen, die normal zur Mittenachse XX ^λ und somit parallel zur Dickenausdehnung des Messtasters 100 wirkt. In Fig. 6 ist die Kontaktkraft F mit einem Kraftpfeil dargestellt. Der Messtaster 100 weist in einem vorderen Bereich eine Schutzkappe 111 auf und er weist im Kontaktbereich 3 piezoelektrisches Material 102, 103 auf. Über die Schutz ^¬ kappe 111 wird der Messtaster 100 in das weibliche Kontakte ^¬ lement getaucht. Dabei gleitet die Schutzkappe 111 über eine Innenfläche des weiblichen Kontaktelements bis dass der Kon ^¬ taktbereich 3 des Messtasters 100 unterhalb dem Federelement des weiblichen Kontaktelements positioniert ist. Um die Ab ^¬ nutzung bei dieser Positionierung möglichst gering zu halten, ist die Schutzkappe 111 aus abriebfestem Material wie Edel ^¬ stahl, Stahllegierungen, usw. gefertigt und weist als Eintauchhilfe eine sich verjüngende Spitze auf. Natürlich darf die Schutzkappe 111 selber nicht zu abriebfest sein, um das weibliche Kontaktelement beim Messen der Kontaktkraft nicht durch Abrieb zu beschädigen.

Über das piezoelektrische Material 102, 103 nimmt der Messtaster 100 im Kontaktbereich 3 die Kontaktkraft F auf. Auch weist der Messtaster 100 eine Abnehmerelektrode 104 auf, welche im Kontaktbereich 3 in Richtung der Dickenausdehnung des Messtasters 100 vollständig von piezoelektrischem Materi ^¬ al 102, 103 umgeben ist und die Polarisationsladungen ab- nimmt. Anfang und Ende des Kontaktbereiches 3 sind in den Fig. 4 bis 6 beispielhaft mit Strichlinien gekennzeichnet. Schutzkappe 111 und Kontaktbereich 3 sind entlang der länglichen Ausdehnung des Messtasters 100 angeordnet. Schliesslich ist der Messtaster 100 in einem Befestigungsbereich an einem Träger 110 angebracht. Über den Träger 110 lässt sich die Kontaktkraft-PrüfVorrichtung 10 ortsfest stabil befestigen. Der Träger 110 ist aus mechanisch beständigem Material wie Edelstahl, Stahllegierungen, usw. gefertigt.

Das piezoelektrische Material 102, 103 kann aus piezoelektri- schem Kristall wie (Si0 ₂ Einkristall) , Calcium-Gallo-Germanat (Ca3Ga ₂ Ge ₄ 0i ₄ oder CGG) , Langasit (La3Ga ₅ SiOi ₄ oder LGS) , Turma- lin, Galliumorthophosphat , usw. bestehen. Das piezoelektrische Material 102, 103 kann aber auch aus Piezokeramiken wie Bariumtitanat (BaTiOs) , Mischungen (PZT) aus Bleititanat (PbTiOs) und Bleizirkonat (PbZrOs) , usw. sowie piezoelektri ^¬ sche Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) , Polyvinylfluo- rid (PVF) , Polyvinylchlorid (PVC) , usw. bestehen. Der Messtaster 100 weist mindestens zwei Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 mit einer Dicke von kleiner/gleich 200ym auf. Bei Verwendung von piezoelektrischem Material 102, 103 aus piezoelektrischem Kristall sind die Lagen als plattenför- mige oder stabförmige Elemente mit definierter Kristallorientierung geschnitten. Falls das piezoelektrische Material 102, 103 aus piezoelektrischem Kristall besteht, ist die Kontakt- kraft-PrüfVorrichtung 10 auch bei Einsatztemperaturen gros- ser/gleich 100°C, vorzugsweise bei Einsatztemperaturen im Bereich von 140°C bis 160°C, vorzugsweise bei Einsatztemperatu ^¬ ren kleiner/gleich 600°C einsetzbar. Falls das piezoelektrische Material 102, 103 aus piezoelektrischen Polymeren be- steht, sind die Lagen als dünne Folien verfügbar. Das piezoe ^¬ lektrische Material kann in gängigen Dünnschichtverfahren mit definierter Kristallorientierung abgeschieden sein.

Die Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 sind ein- oder beidseitig metallisiert. Die Metallisierung kann durch Ther- mokaschieren mit einer Metallfolie oder durch Abscheiden von Metall geschehen. Als Metall lassen sich Kupfer, Kupferlegie ^¬ rungen, Gold, Goldlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silber, Silberlegierungen, usw. verwenden.

Die Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 sind kris- tallographisch so orientiert, dass unter der Wirkung der Kontaktkraft F die elektrischen Polarisationsladungen auf der einen Lagenseite als elektrisch negative Oberflächenladungen erzeugt werden und auf der anderen Lagenseite als elektrisch positive Oberflächenladungen erzeugt werden. Um die elektrisch negativen Oberflächenladungen aufzunehmen, sind die Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 auf der Seite der erzeugten elektrisch negativen Oberflächenladungen mit einer ersten Metallisierung versehen. Um die elektrisch positiven Oberflächenladungen aufzunehmen, sind die Lagen piezoe- lektrischen Materials 102, 103 auf der Seite der erzeugten elektrisch positiven Oberflächenladungen mit einer zweiten und dritten Metallisierung versehen. Die erste Metallisierung dient aber auch als Fügematerial. Denn um die Empfindlichkeit des Messtasters 100 zu erhöhen und um das piezoelektrische Material 102, 103 mit gängigen Herstellungsverfahren weiterverarbeiten zu können, sind wie in Fig. 6 dargestellt, zwei Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 über ihre ersten Metallisierungen stoffschlüssig miteinander verbunden. Diese Stoffschlüssige Verbindung erfolgt über Diffusionsschweissen (Thermokompressionsbonden) , Löten, Verkleben mit elektrisch leitfähigem Klebematerial, usw.. Somit bilden die stoffschlüssig miteinander verbundenen ersten Metallisierungen eine Abnehmerelektrode 104 in Form einer Lage metallischen Materials. Die Abnehmerelektrode 104 ist zwischen zwei benachbarten Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 angeordnet und nimmt deren elektrisch negative Oberflächenladungen auf. Diese Abnehmerelektrode 104 ist um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 10 dünner als Abnehmerelektroden aus dem Stand der Technik. Vorteilhafterweise ist die Dicke der ersten Metallisierungen grös- ser/gleich der maximalen Rauhtiefe des piezoelektrischen Ma- terials 102, 103. Damit ist sichergestellt, dass das Metall der ersten Metallisierungen beim Diffusionsschweissen bei relativ tiefen Metallisierungstemperaturen zwischen 100°C und 450°C gut diffundieren kann und dass dieses Metall so nach dem Diffusionsschweissen weitgehend alle Oberflächenbereiche der miteinander verbundenen Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 bedeckt. Denn bei solchen relativ tiefen Temperaturen diffundiert das piezoelektrische Material 102, 103 nicht oder nur geringfügig. Somit kann die Abnehmerelektrode 104 weitgehend alle elektrisch negativen Oberflächenladungen auf- nehmen, was wiederum zu qualitativ hochwertigen Ausgangssignalen mit niedrigen Hysteresen von kleiner/gleich 3% FSO und hoher Linearität von kleiner/gleich 3% FSO führt, wobei FSO die Abkürzung von Füll Scale Output oder auf Deutsch Vollbe ^¬ reichssignal ist. Die so entstandene Lage metallischen Mate ^¬ rials weist eine Dicke von kleiner/gleich 5ym auf. Die von der Abnehmerelektrode 104 abgenommenen Polarisations ^¬ ladungen werden über einen elektrischen Leiter 109, 109 ^λ abgeführt und sind auswertbar. Für eine einfache und sichere elektrische Verbindung des elektrischen Leiters 109, 109 ^λ mit der Abnehmerelektrode 104 ist eine erste Lage piezoelektri- sehen Materials 102 in Richtung der länglicher Ausdehnung des Messtasters 100 länger als eine zweite Lage piezoelektrischen Materials 103 ausgebildet. Nach Fig. 4 und 5 ist die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 in Richtung der Dickenausdehnung des Messtasters 100 näher an der Mittenachse XX ^λ angeordnet und bereichsweise länger ausgebildet. Die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 weist auf der von der Mittenachse XX ^λ abgewandten Seite eine erste Metallisierung auf. In dem Bereich wo die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 länger ausgebildet ist, liegt die erste Metallisie- rung der ersten Lage piezoelektrischen Materials 102 frei und ist für eine elektrische Verbindung mit dem elektrischen Leiter 109, 109 ^λ zugänglich. Diese elektrische Verbindung kann Stoffschlüssig sein und über Diffusionsschweissen, Verkleben mit elektrisch leitfähigem Klebematerial, usw. erfolgen. Die- se elektrische Verbindung kann aber auch kraftschlüssig sein und über Federkontakt, usw. erfolgen. Jeweils eine Lage pie ^¬ zoelektrischen Materials 102 ist so mit einem elektrischen Leiter 109, 109 ^λ elektrisch verbunden. Der elektrische Leiter 109, 109 ^λ wiederum ist mit einem nicht dargestellten Ladungs- Verstärker elektrisch verbunden, welcher Ladungsverstärker die abgenommenen Polarisationsladungen in eine dazu direkt proportionale Spannung wandelt.

Der Messtaster 100 weist eine Grundplatte 101 auf, welche in Richtung der länglichen Ausdehnung des Messtasters 100 ange- ordnet ist. Die Grundplatte 101 ist aus mechanisch beständi ^¬ gem Material wie Edelstahl, Stahllegierungen, Keramiken, Al ₂ 0 ₃ -Keramiken, usw. gefertigt. Wie in Fig. 4 bis 8 dargestellt, ist die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 einseitig mit der Grundplatte 101 Stoffschlüssig verbunden und die zweiten Lage piezoelektrischen Materials 103 ist einseitig mit einer Deckplatte 105 Stoffschlüssig verbunden. Die Deckplatte 105 ist aus möglichst steifem Material wie Edel ^¬ stahl, Stahllegierungen, Keramiken, Al ₂ 0 ₃ -Keramiken, usw. gefertigt. Für die Stoffschlüssige Verbindung mit den Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 können Grundplatte 101 und Deckplatte 105 metallisiert sein. Die Steifigkeit ergibt sich aus dem Elastizitätsmodul des Materials der Deckplatte 105 und der Geometrie der Deckplatte 105. Eine grosse Stei ^¬ figkeit ergibt unter mechanischen Spannungen eine geringe Vo- lumenänderung und eine hohe Eigenfrequenz, was zu qualitativ hochwertigen Ausgangssignalen mit niedrigen Hysteresen von kleiner/gleich 3% FSO und hoher Linearität von kleiner/gleich 3% FSO führt.

Um die elektrisch positiven Oberflächenladungen aufzunehmen, ist die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 auf der Seite der erzeugten elektrisch positiven Oberflächenladungen mit einer zweiten Metallisierung versehen. Eine stoffschlüssige Verbindung 106 der ersten Lage piezoelektrischen Materials 102 mit der Grundplatte 101 erfolgt über Diffusions- schweissen der zweiten Metallisierung mit der Grundplatte 101. Und um die elektrisch positiven Oberflächenladungen aufzunehmen, ist die zweite Lage piezoelektrischen Materials 103 auf der Seite der erzeugten elektrisch positiven Oberflä- chenladungen mit einer dritten Metallisierung versehen. Eine Stoffschlüssige Verbindung 108 der zweite Lage piezoelektri ^¬ schen Materials 103 mit der Deckplatte 105 erfolgt über Dif- fusionsschweissen der dritten Metallisierung mit der Deckplatte 105. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann die Stoffschlüssigen Verbindungen 106, 108 auch durch Löten oder durch Verkleben mit elektrisch leitfähigem Klebematerial, usw. realisieren. Die zweite und dritte Metal ^¬ lisierung dienen als Gegenelektrode zur Abnahme der elektrisch positiven Oberflächenladungen der beiden Lagen piezoelektrischen Material 102, 103. Die Gegenelektrode ist über nicht dargestellte elektrische Leiter mit dem Ladungs ^¬ verstärker elektrisch verbunden. Die von der Mittenachse XX ^λ abgewandte Aussenseite der Deckplatte 105 ist konvex geformt. Diese Aussenseite weist einen Krümmungsradius auf, der weit- gehend der Entfernung von der Grundplatte 101 vom Mittelpunkt des Messtasters 100 zur Deckplatte 105 entspricht.

Wie in Fig. 3 dargestellt, weist das weibliche Kontaktelement 2 in der Ausführungsform einer Kontaktbuchse als Federelement sechs Kontaktbuchsenlamellen 21, 21 ^λ auf, die bereichsweise durch Kontaktbuchsenschlitze 22 voneinander beabstandet sind. Die Kontaktkraft F dieses weiblichen Kontaktelements 2 ist mit der Kontaktkraft-PrüfVorrichtung 10 nach Fig. 2 messbar. Dazu weist der Messtaster 100 wie in Fig. 7 und 8 darge ^¬ stellt, sechs piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ auf. Jeder piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ ist mit der Grundplatte 101 mechanisch verbunden. Vorzugsweise sind die piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ über die zweite Metallisierung der ersten Lage piezoelektrischen Materials 102 mit der Grundplatte 101 stoffschlüssig verbunden. Jeder piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ umfasst eine erste Lage piezoelektrischen Materials 102 mit zweiter Metallisierung, eine Abnehmerelekt ^¬ rode 104, und eine Deckplatte 105 mit dritter Metallisierung. Die erste Lage piezoelektrischen Materials 102 ist im Kontaktbereich 3 über eine der Mittenachse XX ^λ zugewandte Seite mit der Grundplatte 101 verbunden. Die Abnehmerelektrode 104 ist im Kontaktbereich 3 über eine der Mittenachse XX ^λ zuge ^¬ wandte Seite mit der ersten Lage piezoelektrischen Materials

102 verbunden. Die zweite Lage piezoelektrischen Materials

103 ist im Kontaktbereich 3 über eine der Mittenachse XX ^λ zu- gewandte Seite mit der Abnehmerelektrode 104 verbunden. Die

Deckplatte 105 ist im Kontaktbereich 3 über eine der Mittenachse XX ^λ zugewandte Seite mit der zweiten Lage piezoelektri ^¬ schen Materials 103 verbunden. Breite und Länge eines piezoe ^¬ lektrischen Aufnehmers 11, 11 ^λ im Kontaktbereich 3 entspricht derjenigen einer Kontaktbuchsenlamelle 21, 21 ^λ . Bezüglich der Mittenachse XX ^λ des weiblichen Kontaktelements 2 und des Messtasters 100 sind die Kontaktbuchsenlamellen 21, 21 ^λ und die piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ drehversetzt zueinan ^¬ der angeordnet. Beispielsweise sind die piezoelektrische Auf- nehmer 11, 11 ^λ symmetrisch drehversetzt zueinander angeordnet, mit einem Winkel des Drehversatzes, der sich aus dem Winkelbetrag des Vollkreises von 360° geteilt durch die An ^¬ zahl der piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ ergibt, im vorliegenden Fall also mit einem Winkel des Drehversatzes von 60°. Benachbarte piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ sind durch einen Aufnehmerspalt 12, 12 ^λ voneinander beabstandet. Bezüglich der Mittenachse XX ^λ kommt beim Eintauchen des Messtasters 100 in das weibliche Kontaktelement 2 genau ein piezoelektrischer Aufnehmer 11, 11 ^λ im Kontaktbereich 3 kraftschlüssig unterhalb genau einer Kontaktbuchsenlamellen 21, 21 ^λ zu liegen. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann mehr oder weniger piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ mit einem Drehversatz zueinander anordnen. Bei vier piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ beträgt der Winkel des Drehversatzes 90°, Bei acht piezoelektrischen Aufnehmern 11, 11 ^λ beträgt der Winkel des Drehversatzes 45°. Die Feder ^¬ kraft der Kontaktbuchsenlamellen 21, 21 ^λ lässt sich so einzeln oder integral messen. Bei einzelner Messung der Federkraft misst jeder piezoelektrische Aufnehmer 11, 11 ^λ die Kon ^¬ taktkraft F einer Kontaktbuchsenlamelle 21, 21 bei integra- 1er Messung der Federkraft messen alle piezoelektrischen Aufnehmer 11, 11 ^λ die Kontaktkraft F aller Kontaktbuchsenlamel ^¬ len 21, 21 ^λ . Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob die Kontaktkraft F einzelner Kontaktbuchsenlamellen 21, 21 ^λ vordefinierte Sollwerte erfüllt oder ob die Kontaktkraft F des Federelements des weiblichen Kontaktelements 2 vordefinierte Sollwerte erfüllt.

Der Messtaster 100 weist eine membranartige Schutzhülle 107 auf. Die Schutzhülle 107 liegt bei Kontakt des Messtasters 100 mit dem elektrischen Kontaktelement 1, 2 direkt am elektrischen Kontaktelement 1, 2 an. Die Schutzhülle 107 er ^¬ füllt mindestens eine der folgenden Funktionen: so schützt sie die piezoelektrischen Aufnehmer 11, 11 sie schützt die Aufnehmerspalte 12, 12 und sie schützt die elektrischen Leiter 109, 109 ^λ des Messtasters 100. Die Schutzhülle 107 schützt vor schädlichen Umwelteinflüssen wie Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw.)- Solche Verunreinigungen beein ^¬ flussen die Standzeit und die Verfügbarkeit des Messtasters 100 nachteilig. Dazu verhindert die Schutzhülle 107 durch ih ^¬ re mechanische Ausdehnung das Eindringen solcher Verunreini- gungen in den Messtaster 100. Die Schutzhülle 107 schützt aber auch vor elektrischen und elektromagnetischen Störeffekten in Form von elektromagnetischer Strahlung und ermöglicht somit die elektromagnetische Verträglichkeit des Messtasters 100 und somit der Kontaktkraft-PrüfVorrichtung 10. Dazu ist die Schutzhülle 107 aus elektrisch leitendem Material und ab ^¬ sorbiert störende elektromagnetische Strahlung und leitet re ^¬ sultierende elektrische Ströme ab. Die Schutzhülle 107 ist durch ihre mechanische Ausdehnung eine elektrische Abschir ^¬ mung des Messtasters 100. Schutzhülle 107, Schutzkappe 111 und Träger 110 bilden eine elektrische Abschirmung des Messtasters 100.

Details zur Schutzhülle 107 sind in den Fig. 5 bis 11 darge ^¬ stellt. Die Schutzhülle 107 liegt in einem vorderen Bereich des Messtasters 100 beispielsweise bündig an der Schutzkappe 111 an und sie ist in einem hinteren Bereich des Messtasters 100 mit dem Träger 110 Stoffschlüssig verbunden. Diese stoff ^¬ schlüssige Verbindung erfolgt über Schweissen, Laserschweis- sen, Löten, Verkleben mit elektrisch leitfähigem Klebematerial, usw.. Die elektrischen Leiter 109, 109 ^λ bilden mit der ersten Metallisierung der ersten Lage piezoelektrischen Materials 102 eine elektrische Verbindung. Diese elektrische Ver ^¬ bindung ist von der Schutzhülle 107 auf die Mittenachse XX ^λ bezogen, von aussen vollständig abgedeckt. Die Schutzhülle 107 ist aus Material wie Edelstahl, Stahllegierungen, usw. gefertigt. Die Schutzhülle 107 ist im Kontaktbereich 3 kreis- symmetrisch und deckt im Kontaktbereich 3 die piezoelektrischen Aufnehmer 11, 11 ^λ und die Aufnehmerspalte 12, 12 ^λ bezüglich der Mittenachse XX ^λ von aussen vollständig ab. Ein Krümmungsradius der Aussenseite der Deckplatte 105 ist klei ^¬ ner/gleich einem Innenradius der Schutzhülle 107. Wie in Fig. 10 abgebildet, ist die Schutzhülle 107 im Kontaktbereich 3 sehr dünn, mit einer Dicke von kleiner/gleich 200ym, vorzugsweise 50ym. Zur Montage werden die piezoelektrischen Aufnehmer 11, 11 ^λ mit der Grundplatte 101 mechanisch verbunden und die Schutzhülle 107 wird in Richtung der länglichen Ausdehnung des Messtasters 100 über die mit der Grundplatte 101 me ^¬ chanisch verbundenen piezoelektrischen Aufnehmer 11, 11 ^λ gezogen. Die Schutzhülle 107 liegt somit kraftschlüssig auf den Aussenseiten der Deckplatten 105 und spannt die Lagen piezoelektrischen Materials 102, 103 mit einer definierten Vorspannung gegen die Grundplatte 101 vor. Bei Kenntnis der vorlie ^¬ genden Erfindung können Schutzhülle 107 und Schutzkappe 111 auch einstückig hergestellt sein.

Bezugszeichenliste

XX ^λ Mittenachse

F Kontaktkraft

1 Kontaktstift

2 Kontaktbuchse

3 Kontaktbereich

10 Kontaktkraft-Prüf orrichtung

11, 11 ^λ piezoelektrische Aufnehmer

12, 12 ^λ Aufnehmerspalte

21, 21 ^λ Kontaktbuchsenlamellen

22 Kontaktbuchsenschlitz

100 Messtaster

101 Grundplatte

102 erste Lage piezoelektrischen Materials 103 zweite Lage piezoelektrischen Materials

104 erste Metallisierung oder Abnehmerelektrode

105 Deckplatte

106 zweite Metallisierung

107 Schutzhülle

108 dritte Metallisierung

109, 109 ^λ elektrische Leiter

110 Träger

111 Schutzkappe