FORCE OR PRESSURE TRANSDUCER

Abstract: 1. Force or pressure transducer for registering forces occurring between two parts (24, 26), with a carrier foil (11) which is intended for insertion between the parts and has at least one electrically contacting region whose electrical resistance value is dependent on the magnitude of the force acting on said region from the parts, characterized in that the carrier foil (11) has an insulating surface and the electrically contacting region is formed by a layer (14) of high-resistance metal deposited, preferably by vapour deposition, on the surface of the carrier foil (11).

Description: Kraft- bzw. Druckmessgeber Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Kraft- bzw. Druckmessgeber nach der Gattung des Rauptanspruchs. Messgeber dieser Gattung werden im Gegensatz zu den bekannten Dehnmessstreifen direkt zwischen den Kraftübertragungsflächen der beiden Teile angeordnet, wodurch sich grundsätzlich auch die Verteilung der Kräfte über die Flächen ermitteln lässt. Bei einer bekannten Ausführung eines Kraft- bzw. Druckmessgebers der gattungsmässigen Art (DE-A1-30 11 266) ist die Trägerfolie aus einem elastisch zusammendrückbaren Material gebildet, dessen elektrische Leitfähigkeit durch Druckeinwirkung grösser wird. Die an den Messstellen liegenden elektrisch kontaktierten Bereiche der Trägerfolie werden dort durch das leitfähige, elastische Material der Trägerfolie selbst gebildet, welche an jeder Messstelle mit zwei Elektroden versehen ist, die sich an den beiden Seiten der Trägerfolie gegenüberliegen. Diese Ausführung hat den Nachteil, dass die Trägerfolie relativ nachgiebig ist und in ungünstigen Fällen die tatsächliche Lastverteilung verfälschen kann. Wenn der Messgeber beispielsweise zum Ermitteln von Schwingungen an einem Lager vorgesehen werden soll, könnte er diese so stark dämpfen, dass sie nicht mehr einwandfrei messbar sind. Ferner ist das Auflösungsvermögen, d.h. das Rastermass der einzelnen Messstellen, wegen der Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussung benachbarter Messstellen nach unten begrenzt. Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemässe Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Trägerfolie durch hohe Steifigkeit so an das ganze System angepasst werden kann, dass die Messergebnisse auch in ungünstigen Fällen nicht verfälscht werden. Die Gesamtdicke der Trägerfolie samt der Widerstandsmetallschicht und etwaigen Schutzschichten kann in der Grössenordnung von 10 /um liegen, so dass sich die Trägerfolie trotz ihrer grossen Steifigkeit leicht an gekrümmte Kraftübertragungsflächen anpassen lässt. Durch Foto Maskentechnik kann die Sensorform der Widerstandsmetallschicht dem Anwendungszweck entsprechend optimal angepasst und#die Struktur im 10 /um-Bereich hergestellt werden. Der erfindungsgemässe Messgeber eignet sich daher auch besonders gut zur Ermittlung von Kräften, Kraftrichtungen und -verteilungen sowie Schwingungen an Lagern. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich. Die Trägerfolie kann zweckmässig nach Grösse und Form den einander zugekehrten Kraftübertragungsflächen der Teile angepasst und mit einer Mehrzahl von einzeln kontaktierten und abfragbaren Widerstandsmetallschichten versehen sein. Mittels Multiplex.schaltung können die Einzelkräfte schnell erfasst und Lastverteilungen schnell gemessen werden. Damit ist es möglich, z.B. bei Greifern für Automaten die Lage des Werkstücks aus der Lastverteilung zu erkennen. Durch die Möglichkeit der feinen Strukturbildung des Widerstandsmaterials sind kleinste Sensoren zur Kraftmessung bzw. dicht gepackt zur Messung von Lastverteilungen herstellbar, wie es seither nicht möglich war. Als dünne Kraftmessfolie ist der Messgeber ohne grossen Umbau in einfacher Weise an vielen Stellen von Maschinen und Geräten einsetzbar. Durch die Kombination von Temperatursensoren und Kraftsensoren auf kleinstem Raum sind solche Sensorfelder als Greifer zum Beispiel für Automaten und Roboter geeignet. Die Trägerfolie kann aus Metall, Kunststoff oder Keramik gebildet sein. Eine besonders steife und dünnwandige Ausführung ergibt sich, wenn die Trägerfolie aus Metall ist, auf welche eine elektrisch isolierende erstes Schicht und darauf eine die Widerstandsmetallschicht bildende zweite Schicht aufgedampft sind. Bei dieser Ausführung kann die Trägerfolie beispielsweise eine Dicke von 5 bis 10 /um, die isolierende erste Schicht eine Dicke von 1 bis 2 /um und die Widerstandsmetallschicht eine Dicke von 0,2 bis 0, 5 /um haben. Bei Verwendung von metallischen Lager- und sonstigen Bauteilen wird vorgeschlagen, die Widerstandsmetallschicht durch eine weitere Isolierschicht abzudecken, die eben falls aufgedampft ist und deren Dicke vorzugsweise etwa 0,1 bis 0,5 /um beträgt. Zusätzlich kann eine Deckfolie vargesehen werden, die durch eine Klebeschicht festgehalten ist, welche an den von der Widerstandsmetallschicht nicht bedeckten Teilen der Trägerfolie angeordnet ist. Wenn die Deckfolie aus dem gleichen Material besteht und die gleiche Dicke hat wie die Trägerfolie, liegen die Widerstandsmetallschichten in der neutralen Zone, so dass beim Biegen der Messfolie keine in der Folienebene wirkenden Zug- und Druckkräfte die Widerstands schichten belasten. Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen in einer Abmessung vergrösserten Längsschnitt durch den Messgeber nach dem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2 eine Draufsicht auf die Widerstandsmetallschicht des Messgebers nach Figur 1, Figur 3 einen Längsschnitt durch ein Wellenlager mit dem Messgeber nach Figur 1, Figur 4 einen Längsschnitt durch den Messgeber nach dem zweiten Ausführungsbeispiel und Figur 5 eine Draufsicht auf die Widerstandsmetallschichten des Messgebers nach Figur 4. Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Messgeber 10 nach den Figuren 1 und 2 hat eine metallische Trägerfolie 11, deren Dicke beispielsweise 5 bis 10 /um beträgt. Auf die Trägerfolie 11 ist eine durchgehende Isolationsschicht 12 in einer Dicke von etwa 1 bis 2 /um und darauf eine Widerstandsmetallschicht 14 in einer der vorgesehenen Verwendung entsprechenden geometrischen Form, hier in Mäanderform, aufgedampft. Die Dicke der Widerstandsmetallschicht 14 beträgt vorzugsweise etwa 0, 2 bis 0,5 /um. Sie bildet das eigentliche Messelement, dessen elektrischer Widerstand von dem Druck bzw. der Kraft abhängig ist, welche quer zur Folienebene auf den Messgeber einwirkt. Die Widerstandsmetallschicht 14 ist durch eine zweite aufgedampfte Isolationsschicht 16 so abgedeckt, dass der Kraftfluss senkrecht zur Folienebene nur über die Widerstandsmetallschicht verläuft. Die Dicke der Isolationsschicht 16 kann etwa 0,1 bis 0,5 /um betragen, so dass die Gesamtdicke des folienartigen Messgebers in der Grössenordnung von 10 /um liegt. Der Messgeber zeichnet sich daher durch eine hohe Biegeelastizität sowie durch eine hohe Steifigkeit quer zur Folienebene aus, so dass er Kräfte, flächenhafte Kraftverteilungen und Kraftänderungsgeschwindigkeiten unverfälscht aufnehmen und messen kann. Die Kontaktierung der Widerstandsmetallschicht 14 erfolgt durch die in der Dünnschichttechnik bekannten Mittel, die in der Zeichnung symbolisch bei 17 und 18 angedeutet sind. In Figur 3 ist als Anwendungsbeispiel ein Gleitlager 20 für eine Welle 22 dargestellt, in welches der Messgeber 10 zur Ermittlung der Lagerkräfte eingebaut ist. Der Messgeber 10 ist zwischen einer Lagerbuchse 24 und einem Lagerkörper 26 angeordnet. Die Widerstandsmetallschicht 14 des Messgebers 10 kann sich je nach der gewünschten Abfrage über einen Teil oder über den Gesamtumfang der einander zukehrten Kraftübertragungsflächen an Lagerbuchse 24 und Lagerkörper 26 erstrecken. Die auftretenden Kräfte und Kraft änderungen können unverfälscht und unge dämpft auf die Widerstandsmetallschicht 14 übertragen werden, wodurch sie die gewünschten Widerstandsänderungen im angeschlossenen Messkreis der Auswerteschaltung hervorrufen. Der Messgeber 30 nach den Figuren 4 und 5 hat die gleiche metallische TrÅagerfolie 11 und die gleiche Isolierschicht 12 wie der Messgeber nach den Figuren 1 und 2. Auf die Isolierschicht 12 sind einzelne Widerstandsmetallschichten 32 in einer Dicke von beispielsweise 0, 2 bis 0,5 /um aufgedampft, die je für sich kontaktierbar sind. Durch Foto-Maskentechnik kann die Struktur im 10 /um-Bereich hergestellt werden. Die von den Widerstandsmetallschichten 32 nicht bedeckten Flächenabschnitte der Trägerfolie 11 bzw. der Isolierschicht 12 sind mit einer Klebeschicht 34 überzogen, durch welche eine mit einer aufgedampften Isolierschicht 36 versehene Deckfolie 38 an der Trägerfolie 11 festgehalten ist. Die Deckfolie 38 besteht aus dem gleichen Material und hat die gleiche Dicke wie die Trägerfolie 11, so dass die Widerstandsschichten 32 in der neutralen Zone liegen und bei Biegung des folienartigen Messgebers nicht durch unerwünschte, dass Messergebnis verfälschende Zug- und Druckspannungen beansprucht wird. Die Folie nach den Figuren 4 und 5 eignet sich für das Ermitteln von Lastverteilungen in der Fläche. Die einzelnen Widerstandsmetallschichten 32 und die auf sie wirkenden Einzelkräfte können durch eine Multiplexschaltung schnell abgefragt und ermittelt werden. Damit ist es z.B möglich, bei Greifern für Automaten die Lage des Werkstücks aus der Lastverteilung zu erkennen.

Claims: Ansprüche 1. Kraft- bzw. Druckmessgeber zum Erfassen von zwischen zwei Teilen auftretenden Kräften, mit einer zum Einbau zwischen die Teile bestimmten Trägerfolie, die mindestens einen elektrisch kontaktierten Bereich hat, dessen elektrischer Widerstandswert abhängig von der Grösse der von den Teilen auf diesen Bereich einwirkenden Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (11) in an sich bekannter Weise eine isolierende Oberfläche hat und der elektrisch kontaktierte Bereich durch eine auf die Oberfläche der Trägerfolie (11) aufgebrachte,' vorzugsweise aufgedampfte Widerstandsmetallschicht (14) gebildet ist. 2. Messgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (11) nach Grosse und Form den einander zugekehrten Kraftübertragungsflächen der Teile (24, 26) angepasst und mit einer Mehrzahl von einzelnen kontaktierten und einzeln abfragbaren Widerstandsmetallschichten (32) versehen ist. 3. Messgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie 11 eine Metallfolie ist, auf welche eine elektrisch isolierende erste Schicht (12) und darauf eine die Widerstandsmetallschicht (14, 32) bildende zweite Schicht aufgedampft sind. 4. Messgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die die Widerstandsmetallschicht (14) bildende zweite Schicht eine elektrisch isolierende dritte Schicht (16) aufgedampft ist. 5. Messgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Widerstandsmetallschicht (32) nicht überdeckten Bereiche der Trägerfolie (11) mit einer Klebeschicht (34) überzogen sind, welche eine Deckfolie (38) festhält. 6. Messgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfolie (38) aus dem gleichen Material besteht und die gleiche Dicke hat wie die Trägerfolie (11).

Inventors: DOBLER, KLAUS, DR. DIPL.-ING., HEINZ, RUDOLF, DR., DIPL.-ING.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1984
Main classification: G01L1
IPC codes: G01L1