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Title:
CONTROL DEVICE FOR NON-POSITIVE CONNECTIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/087751
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a control device (1) for non-positive connections, especially screw connections. The device comprises two force application elements (2a, 2b) and a measuring element (3) arranged therebetween. The measuring element is at least partially provided with a layer (4) having a force sensory effect. The surface of the layer is provided with elevations (5a, 5b) for receiving a force applied by the force application elements.

Inventors:
LUETHJE HOLGER (DE)
BIEHL SASKIA (DE)
BANDORF RALF (DE)
SICK JAN-HEINRICH (DE)
Application Number:
PCT/EP2003/003750
Publication Date:
October 23, 2003
Filing Date:
April 10, 2003
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
LUETHJE HOLGER (DE)
BIEHL SASKIA (DE)
BANDORF RALF (DE)
SICK JAN-HEINRICH (DE)
International Classes:
F16B31/02; G01L5/24; G01L5/00; (IPC1-7): G01L5/24; F16B31/02
Domestic Patent References:
WO2001053707A12001-07-26
Foreign References:
GB2310288A1997-08-20
EP0844469A11998-05-27
US5769581A1998-06-23
Other References:
See also references of EP 1495298A1
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING MEINIG & PARTNER GBR (Berlin, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, insbesondere Schraubverbindungen, wobei die Vorrichtung Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) sowie mindestens ein Meßelement (3) aufweist, wobei das Meßelement zumindest be reichsweise mit einer Schicht (4) versehen ist, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schicht als Tragprofile zur Kraftaufnahme ausge bildete flächige Erhebungen (5a, 5b) zur Aufnah me einer durch die Kraftaufbringungselemente aufgebrachten Kraft aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der kraftsensorische Effekt in ei ner elektrischen Widerstandsänderung der Schicht bei Änderung einer aufgebrachten Kraft besteht.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftsensitive Schicht aus diamantähnlichen koh lenstoffbasierenden Schichten mit amorpher und/oder nanokristalliner Struktur besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) der Kopf (2a) einer Schaftschraube (6) sowie die dazu komplementäre Mutter (2b) der Schaft schraube sind..
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß element (3) sich gegenüberliegende Ober (7) und Unterseiten (8) aufweist, wobei die Ober und/oder Unterseite jeweils zumindest teilweise mit einer Schicht, welche einen kraftsensori schen Effekt aufweist, versehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mess element in den Bereichen, welche nicht mit einer kraftsensorischen Schicht belegt ist, mit einer elektrisch isolierenden Schicht (9) versehen ist oder in diesen Restbereichen unbeschichtet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß element (3) die Form einer Scheibe mit einem zentralen Loch aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhe bungen ringförmig auf der Oberfläche des Mes selementes angeordnet sind (Figuren 2b3f).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrereringförmige Erhebungen (5a, 5b) vorgesehen sind, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen senk recht zur Umfangsrichtung der ringförmigen Erhe bung eine rechteckige, dreieckige oder gerundete Form aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Er hebungsbereich (5a'5e') vorgesehen sind, wobei diese jeweils unterschiedlicher Art und/oder An zahl von Erhebungen aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erhebungsbereiche elektrisch voneinander getrennt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß element in einer Hülse 10 zur Vermeidung von La geänderungen des Meßelementes bei einer Relativ bewegung der Kraftaufbringungselemente (2a, 2b) zueinander untergebracht ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß element einen Kern (3') aufweist, auf den die kraftsensorische (4) Beschichtung aufgebracht ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3') aus gehärtetem oder ungehärtetem Stahl, le gierten Stählen oder Edelstahl, aus keramischen Werkstoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen etc. ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftsensorische Schicht aus amorphem Kohlen stoff ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese elek trische Anschlüsse und eine elektrische Schal tung zur Signalgewinnung,übertragung undaus wertung enthält.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Signalwertübertragung teleme trisch erfolgt.
Description:
Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindun- gen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, vorteilhafterweise von Schraubverbindungen.

Schraubverbindungen beruhen auf der Umwandlung eines Drehmomentes in eine Axialkraft über ein Gewinde.

Diese Kraft führt zu einer elastischen Dehnung des Schraubenschaftes und preßt die zu verbindenden Bau- teile kraftschlüssig aufeinander. Schraubverbindungen gehören zu den lösbaren Verbindungen in der Konstruk- tionstechnik, worin auch ihre größte Gefahr begründet liegt. Diese Verbindungen können ihre Funktion durch Vibration, Setzungsvorgänge oder'ähnliches verlieren.

Zur Verhinderung des unabhängigen Lösens werden ver- schiedene Methoden angewandt. Es können Splinte quer durch die Schraube gesetzt werden, die ein Herausfal-

len verhindern. Die Verbindung ist dann jedoch ei- gentlich schon gelöst. Ferner werden verschiedene Ar- ten von Klebstoffen verwandt, welche ein Lockern durch Vibration unterbinden sollen. Des weiteren kom- men federnde Schrauben zum Einsatz, welche eine Span- nung aufrecht erhalten und so ein Losvibrieren ver- hindern sollen.

Alle diese Methoden geben aber keinen Aufschluß über den Zustand einer Schraubverbindung, sondern sollen einen einmal eingestellten Status Quo aufrecht erhal- ten. Die Qualität einer Schraubverbindung ist jedoch durch die axiale Vorspannung determiniert, welche sich bei anspruchsvolleren Konstruktionen auch noch in einem bestimmten Bereich bewegen muß. Zu einer ständigen Überwachung muß also eine axiale Kraft fortlaufend gemessen werden.

Zur Messung der axialen Kraft von Schraubverbindungen sind Verfahren bekannt, bei der das Anzugsdrehmoment in eine Axialkraft umgerechnet wird. Diese Verfahren liefern nur unzuverlässige Ergebnisse und sind bei- spielsweise sehr abhängig von Reibungskoeffizienten zwischen Schraubkopf und Unterlage, welcher sich mit der Betriebszeit stark ändert.

Weiterhin ist bekannt, zur Messung der Axialkraft ein piezoelektrisches Schichtsystem auf den Schraubenkopf zu applizieren. Über ein Ultraschall-Lesegerät erhält man so eine recht genaue Angabe der Axiallast in der Schraubverbindung. Eine derartige Vorgehensweise bringt jedoch einige Nachteile mit sich. Zum einen ist sie nicht für jede Kopfform geeignet, zum anderen muß für jeden Schraubentyp eine neue Kennlinie aufge- nommen werden. Ferner ist durch die recht aufwendige Ultraschallauslesung eine Dauerüberwachung vieler

Schraubverbindungen kaum wirtschaftlich realisierbar.

Bekannte Lösungen sind in der DE 198 31 372 und DE 199 54 164 beschrieben worden. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß eine größere Verformung und damit Meßstrecke aufgewandt werden muß, wie in DE 198 31 372 anhand von Fig. 1b oder lc erkennbar. Ein gro- ßer Nachteil der bekannten Lösungen besteht auch dar- in, daß keine optimierte Anpassung der Axialkraftmes- sung erfolgen kann. Bei Verwendung der piezoresisti- ven Meßschicht auf einer U-Scheibe wie in DE 199 54 164 dargestellt wurden, zeigt die Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Kraft einen exponentiellen Ver- lauf. Bei großer Belastung reduziert sich folglich die Empfindlichkeit der Messung, da die Steigerung der Kurven erheblich flacher ausfällt. Um trotzdem noch genaue Ergebnisse über die eingeleitete Axial- kraft in den Schraubenschaft zu erhalten, ist eine empfindliche Meßelektronik notwendig bzw. es sind be- sonders aufwendige Rahmenbedingungen zu schaffen, um trotzdem eine ausreichend genaue und aussagekräftige Messung durchführen zu können. Hierdurch resultieren hohe Kosten bei trotzdem noch u. U. ungenauen Messun- gen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindun- gen vorzusehen, welche eine kostengünstige und genaue Ermittlung der in die kraftschlüssige Verbindung, insbesondere Schraubverbindung eingebrachten Axial- kraft liefert.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach An- spruch 1 gelöst.

Dadurch, daß ein Meßelement, auf welches Kraftauf-

bringungselemente wirken, mit einer Schicht versehen ist, welche einen kraftsensorischen Effekt aufweist, und die Oberfläche der kraftsensorischen Schicht als flächige Erhebungen ausgestaltete Schichterhebungen zur Aufnahme einer durch die Kraftaufbringungselemen- te aufgebrachten Kraft aufweist, kann durch die Vor- sehung bestimmter Tragprofile der Kurvenverlauf (Wi- derstandsänderung in Abhängigkeit der eingeleiteten Kraft) eingestellt werden. Es ist somit möglich, be- stimmte Erhebungsprofile so zu variieren (z. B. in ih- rer Fläche bzw. Form), daß die Messung stets in einem optimalen Kurvenbereich möglich ist, bei der zur Aus- wertung günstige Steigung der Kurve benutzt werden kann, ohne daß aufwendige Auswertemethoden notwendig sind. Somit ist es also möglich, daß der Kern des Me- ßelements und/oder eine Zwischenschicht und/oder die kraftsensorische Schicht flächige Erhebungen aufwei- sen, welche als Tragprofile ausgebildet sind. Hiermit ist eine gezielte Anpassung durch Vorgabe der ge- wünschten Aufnahmefläche für die aufzubringende Kraft gegeben. Unter"Kraftaufbringungselementen"sind im Sinne der vorliegenden Erfindung sämtliche Elemente (unabhängig von deren Form und Anzahl) zu verstehen, welche eine Kraft auf das erfindungsgemäße Meßelement aufbringen können.

Diese erfindungsgemäße Lehre ist prinzipiell für alle Schichten möglich, welche einen kraftsensorischen Ef- fekt aufweisen. In der vorliegenden Anmeldung kann unter"kraftsensorischem Effekt"ein beliebiges Mate- rial verstanden werden, welches unter dem Einfluß me- chanischer Beanspruchung seinen elektrischen Wider- stand ändert. Eine bekannte Untergruppe hierzu sind z. B. piezoresistive Stoffe.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin-

dung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Kraftaufbringungselemente Teile einer Schraubver- bindung sind. Hierbei kann das erste Kraftaufbrin- gungselement der Kopf einer Schaftschraube und das zweite Kraftaufbringungselement eine dazu komplemen- täre Mutter der Schaftschraube sein. Alternativ ist es auch möglich, einen Schraubbolzen vorzusehen, wo- bei die Kraftaufbringungselemente durch zwei Muttern gegeben sind, welche das Meßelement (sowie die zu verbindenden Bauelement) einschließen. Die Erfindung ist aber prinzipiell für sämtliche kraftschlüssigen Verbindungen nutzbar z. B. auch für beliebige Stützen, Auflagen und Ständer. Prinzipiell kann die Verbindung auch für Nietverbindungen etc. zur Festigkeitskon- trolle genutzt werden.

Eine weitere Weiterbildung sieht vor, daß das Meßele- ment sich gegenüber liegende Ober-und Unterseiten aufweist, wobei die Ober-und/oder Unterseite jeweils mit einer Schicht, welche einen kraftsensorischen Ef- fekt aufweist, versehen sind. Dies bedeutet, daß bei dem Meßelement, welches vorzugsweise einen Flachquer- schnitt aufweist (z. B. mit rundem oder quadratischem Zuschnitt bzw. mit einer zusätzlichen Verdrehsiche- rung versehen ist), wahlweise die Erhebungen, welche quasi den"Kraftsensor"darstellen, an der Ober-oder Unterseite des Meßelements angeordnet sein können.

Selbstverständlich ist es auch möglich, daß diese beidseitig auf dem Meßelement angegeben sind, die Si- gnalverarbeitung kann dann entweder in einem gemein- samen oder einem getrennten Stromkreis für die Ober- und Unterseite ausgewertet werden.

Abhängig vom Material des Kerns des Meßelementes, auf

welchem die kraftsensorische Schicht aufgebracht ist (also primär abhängig davon, ob dieser Kern elek- trisch leitend ist oder nicht) kann das Meßelement in den Bereichen, welche nicht mit einer kraftsensori- schen Schicht belegt sind, entweder mit einer elek- trische isolierenden Schicht (d. h. z. B. mehr als 1015 Ohm-cm) versehen sein oder auch in diesen Restberei- chen unbeschichtet sein (bei einem elektrischen Iso- lator).

Für die Form des Meßelementes sind unterschiedliche Ausführungen möglich, besonders günstig ist eine hohlkreiszylindrische Form. Hierbei hat das Meßele- ment die Form einer Scheibe mit einem zentralen Loch, welches dem durchführen eines Bolzens bzw. einer Schraube dient.

Insbesondere hierzu sieht eine Weiterbildung vor, daß die Erhebungen ringförmig auf der Ober-oder Unter- seite des Meßelementes angeordnet sind, also z. B. konzentrisch bezüglich des Lochs zum Durchführen der Schraube. Es ist hierzu auch möglich, daß mehrere ringförmige Erhebungen vorgesehen sind, welche wie- derum konzentrisch zueinander angeordnet sind.

Je nach gewünschter Auflagefläche bzw. Kraft- Verformungsbeziehung können diese ringförmigen Erhe- bungen senkrecht zur Umfangsrichtung einen rechtecki- gen, dreieckigen oder gerundeten Querschnitt aufwei- sen.

Unabhängig davon können auch mehrere Erhebungsberei- che vorgesehen sein, welche auch völlig unterschied- liche Geometrien aufweisen. So können z. B. einzelne Bereiche Ansammlungen nebeneinander liegender zylin- derförmiger Elemente auf der Oberfläche des Meßele-

mentes aufweisen, rechteckförmige Elemente etc. Prin- zipiell ist das Tragprofil dieser Erhebungen in Art und/oder Anzahl beliebig variierbar. Mit Hilfe von aus der Strukturierungstechnik bekannten Verfahren sind quasi beliebige Formen herstellbar. Bekannte Verfahren sind z. B. Präge-, Umform-, Pressverfahren und Verfahren der Schleif-und zerspanenden Technik sowie Ätzverfahren, Laserstrukturierung und Funken- erosion. Die unterschiedlichen Erhebungsbereiche sind (egal ob sie auf einer gemeinsamen Seite des Meßele- mentes untergebracht sind oder nicht) bei Bedarf auch elektrisch voneinander getrennt ansteuerbar.

Dies kann sinnvoll sein zur Temperaturkompensation bzw. zur Mittelwertbildung (Ausgleich von z. B. geome- trischen Toleranzen einer Schraube bzw. eines zu ver- bindenden Bauteils). Prinzipiell können die auf der Ober-und Unterseite befindlichen Bereiche jeweils getrennt elektrisch angesteuert werden und in einer Parallelschaltung gemeinsam signalmäßig verarbeitet werden. Zur gezielten Beeinflussung des Widerstandes kann hierbei auch die Schichtdicke auf der Ober-bzw.

Unterseite jeweils unterschiedlich ausgeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß das Meßelement, welches z. B. die Form einer Un- terlegscheibe hat, in einer Öse zur Vermeidung von Lageänderungen des Meßelementes bei einer Relativbe- wegung der Kraftaufbringungselemente zueinander un- tergebracht ist. Hierdurch wird vermieden, daß z. B. bei Drehung eines Schraubenkopfes das Meßelement in Form einer Unterlegscheibe automatisch mitgedreht wird. Ein solches Mitdrehen kann insbesondere dann schädlich sein, wenn die kraftsensorische Schicht aus nicht sehr verschleißfestem Material besteht. Es kann hierbei zu Brüchen der Schicht selbst kommen, welche

die Meßwerte verfälschen bzw. die Schraubverbindung und deren angrenzenden Teile mechanisch schädigen.

Eine übliche Ausführungsform sieht vor, daß das Meße- lement einen Kern aufweist, auf den die kraftsensori- sche Beschichtung aufgebracht ist. Der Kern ist vor- zugsweise aus gehärtetem oder ungehärtetem Stahl so- wie legierten Stählen oder Edelstahl bzw. aus kerami- schen Werkstoffen oder auch glasfaserverstärkten Kunststoffen etc. Zur Vermeidung von Sprödbrüchen der Beschichtung ist es bei diamantähnlichen Kohlenstoff- verbindungen in der kraftsensorischen Schicht jedoch nützlich, keine zu leicht verformbaren Kernmateriali- en vorzusehen wie z. B. Blei. Prinzipiell ist der Kern sogar aus Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt her- stellbar, da im Falle der Anwendung von kraftsensiti- ven diamantartigen Kohlenstoffschichten die Schicht auch in kalten Verfahren aufbringbar ist (vorzugswei- se unter 150 Grad Celsius).

Die kraftsensorische Schicht kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein. Denkbar sind z. B. mecha- nisch feste Halbleiter bzw. bekannte piezoresistive Werkstoffe. Die Herstellung der kraftsensorischen Schicht kann mit Hilfe bekannter CVD-und PVD- Verfahren erfolgen, für diamantartige piezoresistive Schichten erfolgt die Herstellung zum Beispiel mit- tels einer Plasma-CVD-Technik. Metalldotierte dia- mantartige kraftsensorische Schichten können z. B. mittels ARC-, Sputter-und Gasflußverfahren herge- stellt werden. Bezüglich möglicher Schichtmaterialien wird ausdrücklich auf die DE 199 54 164 AI verwiesen, in welcher eine Fülle von Materialien angegeben ist.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wird lediglich Be- zug auf diese veröffentlichte Anmeldung genommen, de- ren sämtliche Einzelheiten in Bezug auf das Material

in die vorliegende Anmeldung inkorporiert werden soll. Es ist zu betonen, daß die Ausbildung der kraftsensorischen Schicht aus amorphem Kohlenstoff besonders vorteilhaft ist. Es können z. B. graphiti- sche Strukturen mit sp-Hybridisierung in Kombination mit diamantähnlichen Strukturen mit sup3- Hybridisierung vorgesehen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem elek- trische Anschlüsse und eine elektrische Schaltung zur Signalgewinnung,-übertragung und-auswertung enthal- ten. Um Probleme durch Flüssigkeitseintrag bzw. Dreh- barkeit einzelner Elemente gegeneinander zu vermei- den, kann die Signalwertübertragung auch telemetrisch erfolgen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angege- ben.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläu- tert. Es zeigen : Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindun- gen im eingebauten Zustand ; Figuren 2a und 2b eine Draufsicht sowie einen Quer- schnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßelementes ; Figuren 3a bis 3f weitere Ausführungsformen eines erfin- dungsgemäßen Meßelementes ; Figur 4 verschiedene Erhebungsbereiche in der

Draufsicht einer weiteren Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Meßele- mentes.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kontrolle kraft- schlüssiger Verbindungen. Gezeigt ist eine Schraub- verbindung. Ein Schraubenschaft 6 weist an seinem oberen Ende ein fest damit verbundenen Schraubenkopf 2a sowie an seinem unteren Ende eine mittels eines Gewindes aufgeschraubte Mutter 2b auf. Schraubenkopf 2a und Mutter 2b stellen zwei Kraftaufbringungsele- mente im Sinne der Erfindung dar.

Zwischen diesen Kraftaufbringungselementen sind zwei kraftschlüssig zu verbindende Bauelemente 12a und 12b angebracht, welche über korrespondierende Öffnungen zur Durchführung des Schraubenschaftes 6 verfügen.

Auf dem oberen Bauelement 12a ist ein erfindungsgemä- ßes Meßelement 3 innerhalb einer Hülse 10 vorgesehen.

Das Meßelement 3 ist im wesentlichen ganzflächig von einer Schicht 4 überzogen. An der Ober-sowie an der Unterseite des Meßelementes 3 sind konzentrisch zu einer zentralen Bohrung zum Durchführen des Schrau- benschaftes 6 konzentrische ringförmige Erhebungen 5a (außen) und 5b (innen) angebracht. Diese ragen aus der Ober-bzw. Unterseite des Meßelementes 3 heraus und stehen mit den Innenseiten der Hülse 10 in Ver- bindung, d. h. daß lediglich die Erhebungen mit der oberen bzw. unteren Innenwand der Hülse verbunden sind und somit auch nur diese bei Verkürzung des Ab- standes zwischen den beiden Kraftaufbringungselemen- ten eine Druckkraft erfahren.

Zur Detektierung der Höhe einer Druckkraft auf das Meßelement 3 weist die Schicht 4 einen kraftsensori- schen Effekt im Sinne der oben angegebenen Definition

auf. Die Schicht 4 ist hier durch einen amorphen Koh- lenstoff gebildet, wie er z. B. der De 199 54 164 AI entnehmbar ist. Denkbar sind für diesen Einsatzzweck aber prinzipiell sämtliche Werkstoffe,. welche bei me- chanischer Belastung eine Änderung ihres elektrischen Widerstandswertes zeigen.

Wesentlich ist für die vorliegende Erfindung, daß durch die Ausbildung der Tragprofile auf dem Meßele- ment 3, d. h. die kraftaufnehmenden Erhebungen (z. B.

5a und 5b) die Fläche, auf welche die Druckkraft der- Kraftaufbringungselemente verteilt wird, in praktisch beliebigen Grenzen variiert werden kann. Dies ist, wie bereits oben ausgeführt, nützlich, um einen zur Auswertung günstigen Bereich der Beziehung zwischen aufgebrachter Kraft und elektrischer Widerstandsände- rung zu erhalten.

In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die elektri- sche Kontaktierung über den Kern des Meßelements 3 und die zweite Kontaktierung über die Masse der Vor- richtung. Es sind jedoch auch andere meßtechnische Auswertungen möglich.

Die meßtechnische Auswertung erfolgt über elektrische Kontakte lla und llb. Hierbei sind der elektrische Kontakt lla und llb zunächst elektrisch voneinander isoliert. Sie stehen jeweils mit den voreinander elektrisch isolierten kraftsensorischen Schichten der Ober-bzw. Unterseite in Verbindung. Prinzipiell bil- den die Schichten auf der Ober-sowie auf der Unter- seite voneinander unabhängige Meßsensoren des Meßele- mentes 3, welche jeweils mit einem nicht dargestell- ten weiteren Pol (Massepol, hierzu sind bei den an- grenzenden Bauteilen fachübliche elektrisch leitende Materialien zu wählen) verbunden sind. Zur Verbesse-

rung der Signalgüte können die Signale der kraftsen- sorischen Schichten der Ober-bzw. Unterseite in ei- ner gemeinsamen Parallelschaltung aufgenommen und später ausgewertet werden.

Das Meßelement 3 kann selbstverständlich auch ledig- lich auf der Ober-bzw. nur auf der Unterseite eine kraftsensorische Schicht aufweisen, hierzu wird auf die später gezeigten Ausführungsformen verwiesen.

Eine besonderen Vorteil zeigt die Ausführungsform nach Figur 1, da das Meßelement 3 in einer Hülse 10 zur Verdrehsicherung untergebracht ist. Die Hülse 10 kann (wie auch der Schraubenschaft 6. sowie die Kraft- aufbringungselemente 2a und 2b) aus einem elektrisch leitenden Metall bestehen. Durch Zwischenschaltung der Hülse 10 wird einerseits eine Relativbewegung zwischen Schraubenkopf 2a und beschichteten Erhebun- gen 5b bzw. 5a vermieden sowie eine Verdrehsicherung erreicht. Hierzu kann zwischen Hülse 10 und Bauteil 12a auch eine zusätzliche Verdrehsicherung mittels korrespondierender formschlüssiger Eingriffe vorgese- hen sein.

Es wird aber ausdrücklich betont, daß die Hülse 10 kein wesentliches Merkmal der Gesamterfindung dar- stellt, d. h. daß sämtliche der hier gezeigten Ausfüh- rungsformen auch ohne Hülse 10, d. h. also direkt zur Auflage auf dem Bauteil 12a bzw. dem Schraubenkopf 2a geeignet sind.

Für den Aufbau des Meßelementes 3 sind-neben der Art der Erhebungen 5a und 5b-auch unterschiedliche Bauformen in Bezug auf das Material eines Kerns 3' des Meßelementes 3 sowie der darauf aufgebrachten kraftsensorischen bzw. elektrisch isolierenden

Schichten möglich. Vorliegend ist der Kern aus einfa- chem ungehärtetem Stahl, es sind jedoch auch je nach Anwendung beliebige gehärtete Edelstähle sowie Stahl- legierungen möglich, ferner keramische Werkstoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (siehe oben in der Beschreibungseinleitung).

Figur 2a und 2b zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßelementes. Dieses weist an. seiner flachen Unterseite 8 eine elektrisch isolie- rende Schicht 9 auf. Als elektrischer Isolator ist hierbei eine Substanz von 1015 Ohm-cm oder mehr spe- zifischem Widerstand zu sehen. Als Isolatoren kommen z. B. A1203', Ti02, SiOz, SiN oder ein Material aus hochohmigem diamantartigem Kohlenstoff, welches unter der Marke"SiCON@"vertrieben wird, in Betracht. Das Meßelement 3 zeigt einen hohlzylindrischen Flachquer- schnitt mit lediglich um eine zentrale Öffnung kon- zentrisch angeordneten Erhebung auf der Oberseite.

Die Oberseite ist hierbei mit einer kraftsensorischen Schicht 4 überzogen. Je nach Verlauf der gewünschten Kurve zwischen Druckkraft und Änderung des elektri- schen Widerstandes sowie abhängig von der Här- te/Sprödigkeit der kraftsensorischen Schicht 4 kann der Querschnitt der Erhebungen 5a senkrecht zur Um- fangsrichtung dieser kreisringförmigen Erhebungen ei- ne unterschiedliche Form aufweisen. Für eher großflä- chige Druckeinleitung sind rechteckige Querschnitts- formen wie in Figur 2b ersichtlich möglich, es sind jedoch auch dreieckige oder gerundete Formen für eine stärkere Drucküberhöhung wählbar.

Figuren 3a bis 3f zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Meßelemente 3. Ihnen allen ist ge- meinsam, daß sie zumindest bereichsweise im Bereich von Erhebungen des Meßelementes 3 eine kraftsensori-

sche Schicht aufweisen, welche mit einem elektrischen Kontakt in Verbindung steht. Die kraftsensorische Schicht sollte vorteilhafterweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 108 bis 10-2 Ohm-cm aufweisen.

Figur 3a zeigt wiederum eine hohlkreiszylindrische Ausführung des Meßelementes 3 mit drei konzentrischen ringförmigen und im Querschnitt rechteckigen Erhebun- gen 5a, 5b, 5c. Die Unterseite des Meßelementes 3 ist mit einem Isolator 9 belegt. Figur 3b zeigt eine wei- tere Ausführungsform mit lediglich zwei konzentri- schen Erhebungen auf der Oberseite, die Kreis- ringscheibe ist jedoch über ihre gesamte Fläche mit einer durchgängigen kraftsensorischen Schicht. 4 um- mantelt.

Figur 3c zeigt eine weitere Ausführungsform mit le- diglich einer kreisringförmigen Erhebung 5a auf der Oberseite, die Unterseite des Meßelementes 3 ist nicht beschichtet (weder mit einer kraftsensorischen noch mit einer isolierenden Schicht).

Figur 3d zeigt eine weitere Ausführungsform, bei wel- cher Ober-sowie Unterseite jeweils mit gleich ge- stalteten konzentrischen kreisringförmigen Erhebungen versehen sind.

Figur 3e und 3f zeigen weitere Ausführungsformen, bei welchen die Unterseite entweder aus einem Isolator oder einer kraftsensorischen Schicht besteht, die mehreren Erhebungen auf der Oberseite sind wahlweise im Querschnitt senkrecht zur Umfangsrichtung der kreisringförmigen Erhebungen dreieckig oder gerundet.

Schließlich zeigt Figur 4 eine weitere Ausführungs-

form eines erfindungsgemäßen Meßelementes 3 in der Draufsicht. Dieses weist keine bezüglich der Zen- tralachse zur Durchführung des Schraubenschaften ro- tationssymetrische Ausgestaltung auf. Statt dessen sind mehrere Erhebungsbereiche 5a'bis 5e'gezeigt.

Diese bestehen jeweils aus Feldern mit Tragprofilen, welche eine jeweils unterschiedliche Art und/oder An- zahl von Erhebungen aufweisen. Als Form kommen belie- bige in. der Draufsicht sichtbare noppen-bzw. strei- fenförmige Elemente in Betracht, z. B. solche mit run- dem, rechteckigem, kreissegmentbogenförmiger Drauf- sicht in Betracht. Die Tragfiguren können unter- schiedliche Querschnittsprofile aufweisen. So sind Profile mit senkrechten und schrägen Kanten sowie ge- rundete Querschnittsprofile machbar.

Es ist auch möglich, verschiedene Erhebungsbereiche elektrisch voneinander zu trennen (unabhängig davon, ob diese auf der Ober-und/oder Unterseite des Meße- lementes 3 angebracht sind). Die verschiedenen Erhe- bungsbereiche können hierbei identische oder auch un- terschiedliche Tragprofile aufweisen. Ein Einsatz- zweck hierfür liegt z. B. darin, Meßungenauigkeiten infolge von Temperaturschwankungen auszugleichen.




 
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