QUERKRAFTMESSUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor für Biegemoment- oder Drehmomentmessungen mit mindestens einer Achse umfassend mindestens zwei in einer Ebene nebeneinander angeordnete piezoelektrische Plattenteile gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Sensoren für Biegemoment- oder Drehmomentmessungen werden in- dustriell vielerorts verwendet, beispielsweise zur Bestimmung der Kraft eines Kraftübertragungsarms einer Drahtschweisskon- taktieranlage, auch Wire-Bonding Anlage genannt.

In der US 6,425,514 wird ein Verfahren dargestellt, in der ein herkömmlicher Kraft- oder Drucksensor zwischen den Schweissarm und die Struktur einer Drahtschweisskontaktieran- lage gebracht wird. Anhand der gemessenen Kräfte kann s'chliesslich rechnerisch auf die Schweisskraft an der Spitze des Schweissarms geschlossen werden.

Der Nachteil einer solchen Vorrichtung besteht darin, dass besser zwei solcher Sensoren eingebaut werden sollten, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Aus Kostengründen wird dies aber in den wenigsten Fällen gemacht.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor für Biegemoment- oder Drehmomentmessungen anzugeben, welcher eine erhöhte Sensitivität bei vergleichbaren Herstellkosten gegen- über einem herkömmlichen Sensor dieser Art aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen der unabhängigen Patentansprüche.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Messelement in einem piezoelektrischen Sensor für Biegemo- ment- oder Drehmomentmessungen in seiner Achse messtechnisch zu teilen und beide Hälften mit ihren entgegengesetzten Polarisierungsrichtungen elektrisch zu verbinden. Ein solcher Sensor, eingebaut mit seiner Achse auf der neutralen Biegeachse einer Maschinenstruktur, misst somit gleichzeitig Zug und Druck der Maschinenstruktur auf beiden Seiten seiner Achse. Ein besonderer Vorteil besteht dann, wenn das Messelement einstückig ausgebildet ist und nur die Elektroden auf dem Messelement getrennt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. Ia einen Querschnitt durch zwei Plattenteile, angeordnet in entgegengesetzter Orientierungsrichtung, mit Elektroden und deren elektrischen Verbindungen;

Fig. Ib einen Querschnitt durch zwei Plattenteile, angeordnet in gleicher Orientierungsrichtung, mit Elektroden und deren elektrischen Verbindungen;

Fig. Ic einen Querschnitt durch zwei Plattenteile auf der- selben Platte, mit Elektroden und deren elektrischen Verbindungen.

Fig. Id einen Querschnitt durch ein Paar von zwei Plattenteilen, angeordnet in entgegengesetzter Orientierungsrichtung, mit Elektroden und deren elektri- sehen Verbindungen;

Fig. Ie einen Querschnitt durch ein Paar von zwei Plattenteilen, angeordnet in gleicher Orientierungsrichtung, mit Elektroden und deren elektrischen Verbindungen;

Fig. If einen Querschnitt durch ein Paar von zwei Plattenteilen auf jeweils derselben Platte, mit Elektroden und deren elektrischen Verbindungen;

Fig. 2 eine Aufsicht eines erfindungsgemassen Sensors mit zwei Plattenteilen;

Fig. 3 einen Querschnitt einer Maschinenstruktur in Form eines Bond-Armes mit seiner Struktur mit möglichen Positionen für die Montage eines erfindungsgemassen Sensors;

Fig. 4 eine Frontalansicht einer Maschinenstruktur in Form eines Kraftübertragungsarmes mit seiner Struktur mit einer möglichen Positionen für die Montage eines erfindungsgemassen Sensors;

Fig. 5a eine Aufsicht eines erfindungsgemässen Sensors mit vier Plattenteilen;

Fig. 5b eine Aufsicht eines anderen erfindungsgemässen Sensors mit vier Plattenteilen;

Fig. 6a eine Aufsicht eines anderen erfindungsgemässen Sensors mit zwei Plattenteilen empfindlich auf Schub;

Fig. βb eine Aufsicht eines anderen erfindungsgemässen Sensors mit vier Plattenteilen empfindlich auf Schub.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Benennung und Nummerierung ist in allen Figuren für dieselben Komponenten identisch.

Die Figuren la-f zeigen jeweils einen Querschnitt durch mindestens zwei Plattenteile 3a, 3b eines piezoelektrischen Sensors 1 für Biegemoment- oder Drehmomentmessungen. Die Doppel- pfeile in den Figuren 1 bezeichnen eine mögliche Kraft- oder Zugeinwirkung auf die Plattenteile, die zu messen ist. Als Plattenteile 3a, 3b werden Teile von Platten verstanden. Diese Plattenteile sind flächig in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Als Orientierungsrichtung P wird die Polarisations- richtung eines Plattenteiles unter Krafteinwirkung verstanden. Diese Richtung ist mit einem einfachen Pfeil und P bezeichnet.

Die Plattenteile 3a, 3b bestehen aus piezoelektrischem Material mit Longitudinaleffekt . Eine Achse 2 des Sensors ver- läuft zwischen diesen Plattenteilen 3a, 3b. Der Anwendungsbereich eines solchen Sensors 1 ist bestimmt für Biegemoment- oder Drehmomentmessungen mit einer neutralen Biegeachse 9 auf

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der Achse 2 des Sensors 1. Das zu messende Moment würde demnach durch eine Kraft entstehen, welche entsprechend den eingezeichneten Doppelpfeilen wirkt. Ein solches Moment würde im Plattenteil 3a eine Stauchung und im Plattenteil 3b eine Deh- nung verursachen. Die Plattenteile 3a, 3b weisen jeweils beidseitig Elektroden 4, 4' auf, welche bei einer Messung die dort entstandene Ladung sammelt.

Die Elektrode 4 oder 4' des ersten Plattenteils 3a ist mit der Elektrode 4 oder 4' der entgegengesetzten Polarisierung (+, -) des zweiten Plattenteils 3b elektrisch verbunden. Eine solche Verbindung kann im Sensor oder im Auswertegerät zustande kommen.

Elektrische Verbindungen 5 verbinden jeweils die Elektroden 4, 4' mit entgegengesetzten Polarisierungen (+, -) der beiden Plattenteile 3a, 3b, die sich bei einer Messung bilden. Bei identischen Ausgestaltungen und symmetrischen Anordnungen bezüglich der Achse 2 der beiden Hälften verdoppelt sich das Signal dadurch. Die Elektroden 4, 4' können als Metallisierungen auf den piezoelektrischen Plattenteilen oder als ei- genständige Komponenten in Form von leitenden Platten ausgestaltet sein.

Die Plattenteile 3a, 3b sind vorgespannt im Sensor angebracht, damit Druck und Zug gemessen werden kann.

In Fig. Ia sind die Plattenteile 3a, 3b in entgegengesetzter Orientierungsrichtung P angeordnet, jede elektrische Verbindung 5 verbindet somit die Elektroden 4 auf derselben Seite der Plattenteile 3a, 3b. In diesem Beispiel können die Elektroden 4, 4' und die elektrischen Verbindungen 5 gemeinsam als jeweils eine leitende Schicht oder Platte ausgestaltet sein.

In der Fig. Ib ist eine Vorrichtung angegeben, die im Gegensatz zur Fig. Ia zwei Plattenteile 3a, 3b aufweist, welche in gleicher Orientierungsrichtung P angeordnet sind. Entsprechend sind die Elektroden 4, 4' nicht auf einer Ebene sondern diagonal miteinander verbunden, mit entgegengesetzten Polarisierungen (+, -) . Diese Verbindung ist nicht dargestellt sondern geht lediglich aus den Vorzeichen Plus (+) und minus (-) an den Enden der Elektronischen Verbindungen 5 hervor. Die Enden mit denselben Vorzeichen werden im Sensor oder im Aus- wertegerät miteinander elektrisch verbunden.

Die Ausführung in der Fig. Ic entspricht weitgehend derjenigen der Fig. Ib, wobei die Plattenteile 3a, 3b in einer Platte 3 einstückig ausgestaltet sind. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Orientierungsrichtungen P der Plattenteile 3a, 3b gleich verlaufen. In diesem Ausführungsbeispiel kann die piezoelektrische Platte demnach als Printplatte verwendet werden, auf der die Elektroden als metallisierte Flächen, ähnlich denjenigen von Schalterplatten, aufgetragen sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass nur eine Platte bearbeitet und eingebaut werden muss, was die Handhabung vereinfacht .

Die Figuren Id, Ie und If stellen jeweils ein Stapel von Plattenteilen 3a, 3a' und 3b, 3b' dar entsprechend den Ausführungen der Fig. Ia, Ib und Ic. Analog können auch drei und mehr Plattenteile 3a'', 3b'' stapelweise angeordnet werden. Die Elektroden 4' zwischen den im Stapel anliegende Plattenteilen 3a, 3a' und zwischen den Plattenteilen 3b, 3b' sind vorzugsweise durch Metallisierungen erreicht. Vorzugsweise verbinden die Metallisierungen die angrenzenden Plattenteile miteinander. Diese Verbindung erleichtert die Handhabung der einzelnen Plattenteile.

Die Elektroden 4 sind jeweils mit denen der übernächsten Lagen 4'' elektronisch durch elektrische Verbindungen 5 im Sensor oder im Auswertegerät verbunden. Bei mehr als zwei Lagen im Stapel gilt das analog auch.

In der Fig. 2 ist eine Aufsicht auf einen erfindungsgemässen Sensor 1 dargestellt entsprechend der Fig. Ic mit einer durchgehenden Platte 3 und zwei Elektroden 4 mit entgegengesetzter Polarisierungen (+, -) , die sich bei einer Messung einstellen. Die Elektroden 4 liegen beidseits der Achse 2, welche im eingebauten Zustand auf der neutralen Biegeachse eines Maschinenteils zu liegen hat. Die entsprechenden entgegengesetzten Elektroden 4' mit den entgegengesetzten Polarisierungen liegen auf der Rückseite des Sensors.

Mittig im Sensor ist vorzugsweise eine Befestigungsvorrich- tung 6, beispielsweise in Form einer Aussparung 7 vorgesehen zur Durchführung einer Befestigungsschraube oder eines äquivalent .

Fig. 3 stellt einen Querschnitt einer Maschinenstruktur 8 dar in Form eines Kraftübertragungsarmes 10 mit einer Struktur 11 mit verschiedenen, möglichen Positionen für die Montage eines erfindungsgemässen Sensors 1. Die neutrale Biegachse 9 ist die Fläche in der Maschinenstruktur, in der während einer fachgerechten Beanspruchung der Maschinenstruktur weder eine Dehnung noch eine Stauchung auftritt. Der erfindungsgemässe Sensor 1 kann an einer beliebigen Stelle entlang dieser neutralen Biegeachse 9 angebracht sein, wobei die Achse 2 des Sensors 1 stets in dieser neutralen Biegeachse 9 liegen muss. Somit wirkt sich eine Stauchung einseitig der Achse 2 entgegengesetzt gleich aus wie ein Zug auf deren anderen Seite. Durch die richtige Kombination der Elektroden 4, 4', namentlich durch die Verbindung der entgegengesetzten Polarisierun-

gen der Elektroden 4, 4' beidseits der Achse 2, summieren sich die Signale. Bei symmetrischer Anordnung bedeutet dies eine Verdoppelung.

Erfindungsgemäss kann, wie ebenfalls in der Fig. 3 darge- stellt, der Sensor 1 auch in einem eigens dafür angebrachten Schnitt in einem Arm der Maschinenstruktur angebracht sein. Durch die Montage mittig im Sensor durch eine Montageschraube wird diese Montageachse zur neutralen Biegeachse 9 bei einer Belastung am Ende des Arms.

Fig. 4 zeigt dieselbe Anordnung einer Maschinenstruktur wie Fig. 3, jedoch frontal von vorne. Die Struktur 11, angrenzend an einen Aktuator 13, nimmt mittels Befestigung 14 den Kraftübertragungsarm 10 auf. Die neutrale Biegeachse 9 verläuft wie angegeben durch die gesamte Maschinenstruktur 8. Der er- findungsgemässe Sensor 1 kann auch seitlich vom Zentrum, beispielsweise in einem Montagepunkt 12, der auf der neutralen Biegeachse 9 verläuft, angeordnet sein. Der andere Montagepunkt 12 sollte dieselbe Steifigkeit aufweisen wie der Sensor 1, um keine Messfehler zu generieren. Andernfalls kann, zur Erhöhung der Messgenauigkeit, ein zweiter Sensor in einem zweiten Montagepunkt angebracht sein.

Der Vorteil dieses erfindungsgemässen Sensors ist seine einfache Montagemöglichkeit, ohne Prozessstörungen zu verursachen. Zudem ist die Empfindlichkeit durch die Teilung der Elektrode erhöht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Auswertung. Werden die Elektroden 4 der einzelnen Plattenteile 3a, 3b nicht im Sensor 1 durch die elektrischen Verbindungen 5 zusammengeführt sondern getrennt zum Auswertege- rät oder Verstärker geführt, so lassen sich zusätzliche physikalische Grossen bestimmen. Einerseits kann durch die Sum-

mierung der Messwerte rechnerisch das Biegemoment bestimmt werden, das durch die elektrischen Verbindungen 5 zustande gekommen wäre. Andererseits kann durch die Differenzbildung der Messwerte die Kraft bestimmt werden, die auf den Sensor einwirkt. Dies gilt für eine Anordnung der Plattenteile ge- mäss Fig. Ia, bei den Beispielen gemäss Fig. Ib oder Ic ergeben die Differentbildung das Biegemoment und die Summierung die Kraft.

Eine Erweiterung der Erfindung ist in Fig. 5a und 5b darge- stellt. Analog zur beschriebenen Ausführung kann der Sensor durch Einführen einer zweiten Achse 2' , die senkrecht zur ersten Achse 2 angeordnet ist und die den Sensor in vier Teile teilt, auch mit vier statt zwei Plattenteilen 3a, 3b, 3c, 3d ausgestaltet sein. Ein derart ausgestalteter Sensor lässt Biegungen in beiden Achsen und in der Kombination davon zu. Die Elektroden 4 müssen dafür separat ausgewertet werden. Die Einteilung der Elektroden kann entweder so gewählt werden, dass gleiche Orientierungsrichtungen P diagonal gegenüber, wie in Fig. 5a dargestellt, oder nebeneinander, wie in Fig. 5b dargestellt, zu liegen kommen. Ein Sensor nach Fig. 5 lässt demnach Biegemomente in zwei Richtungen sowie eine Kraftmessung in eine Richtung zu.

Eine weitere Erweiterung der Erfindung ist in Fig. βa dargestellt. Anstelle von Plattenteilen aus piezoelektrischem Ma- terial mit Longitudinaleffekt wird ein Material mit longitu- dinalem Schereffekt verwendet. Dadurch kann Schub und Drehmoment gleichzeitig gemessen werden, wenn die Signale der Plattenteile separat ausgewertet werden wie in Fig. 5 beschrieben. Analog der in den Fig. Ia bis If beschriebenen Art kann auch hier die Platte 3 in Plattenteile 3a, 3b geteilt sein oder die Elektrode 4 getrennt sein und es können mehrere Platten stapelweise verwendet werden.

Fig. 6b zeigt eine Kombination von Schubempfindlichen Platten in verschiedenen Richtungen, welche analog der Beschreibung in Fig. 5 ausgewertet werden kann.

Verschiedene Ebenen mit Plattenteilen verschiedener piezo- elektrischer Effekte können in einem Sensor kombiniert werden, sodass eine Vielzahl von' physikalischen Grossen gleichzeitig ermittelt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Sensor

2 2' Achsen

3 Platte

3a, 3b, 3c, 3d, 3a', 3b' Plattenteile

4 4' Elektroden

5 Elektrische Verbindungen der Elektroden

6 BefestigungsVorrichtung

7 Aussparung 8 Maschinenstruktur

9 Neutrale Biegeachse

10 Kraftübertragungsarm

11 Struktur

12 Montagepunkt 13 Aktuator

14 Befestigung