DE10040069C2 - Biegemeßelement und Verwendung in einem Drehwinkelgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Biegemeßelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus EP 0 053 337 A2 bekannt. Ein ähnliches Biegemeßelement ist auch aus dem Zeitschriftenartikel von W. Ort "Sensoren mit Folien- und Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen" (TECHNISCHES MESSEN 12/1983, Seiten 455-460) bekannt. Die Erfindung umfaßt auch einen mit solchem Meßelement erstellten Drehwinkelgeber.

In jenem Beitrag ist dargelegt, daß der Dünnfilm-DMS (der in mehreren Verfahrensschrit­ ten auf die zunächst zu isolierende Oberfläche einer Biegefeder im Hochvakuum aufge­ dampft oder in Gasatmosphäre aufgesputtert wird) gegenüber dem Folien-DMS (der durch einen Fotoätzprozeß an einer dünn ausgewalzten und dann zunächst noch auf einen Träger aufzubringenden Metallfolie entsteht) vor allem den Vorteil aufweist, keinen die Messung verfälschenden plastischen Kraft-Nebenschluß zur Biegefeder aufzuweisen.

Solch ein u. U. störender Nebenschluß ist aber etwa auch dann noch gegeben, wenn gemäß der eingangs genannten EP 0 053 337 A2 ein metallischer Biegebalken mit einem Sensor (dort als Meßzelle bezeichnet) bestückt wird, welcher - zwischen einer in Gasatmosphäre wärmeausgehärtet auf die speziell vorbehandelte Balkenoberfläche aufgebrachten Kunststoff-Isolierschicht einerseits und andererseits einer Kunststoff-Abdeckung - die zur Meßbrücke verschalteten Dehnungswiderstände beinhaltet, die zunächst etwa in Dünnfilm-Sputtertechnik auf die Isolierschicht aufgebracht werden und dort dann ihre endgültige Geometrie im Photoätz­ verfahren erhalten.

Verfahrenstechnisch demgegenüber einfacher ist es, in herkömmlicher Weise zunächst nur einen Sensor in Form von wenigstens einem Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen als im Hoch­ vakuum auf eine Trägerfolie aufgedampfte Leiterbahnstruktur zu fertigen und dann diesen Sensor mittels einer - auch als zusätzliche elektrische Isolierung ausgelegten - Kleber­ schicht auf einen metallischen Träger etwa in Form eines Biegebalkens oder einer Druck­ membran zu applizieren. Denn der in der Hochvakuumkammer verfügbare Raum ist dann besser nutzbar, als wenn das Aufdampfen wie oben erwähnt direkt auf einen zuvor geson­ dert zu präparierenden, großvolumigeren Träger erfolgt. Als Nachteil verbleibt dennoch, daß solch ein Hochvakuumprozeß verfahrenstechnisch sehr aufwendig ist; und die dann herzustellende Klebeverbindung zwischen dem Sensor und einem Träger etwa in Form eines Biegebalkens stellt wie schon erwähnt technologisch einen erheblichen Unsicher­ heitsfaktor dar, weil über einen solchen Kraft-Nebenschluß die Dauerstandfestigkeit - schon aufgrund unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens der starr miteinan­ der zu verklebenden Materialien - und die Temperaturbeständigkeit dieses Meßelementes nicht zuverlässig vorhersagbar sind und ein dadurch bedingtes Kriechverhalten zu erhebli­ chen aber nicht ohne weiteres erkennbaren Meßfehlern führen kann.

Die Nebenschluß-Problematik wird sogar noch komplexer und entsprechend schwieriger vorab einschätzbar, wenn gemäß DE 299 22 560 U1 zur flächigen Messung von Betriebs­ zustandsgrößen bei Maschinenkomponenten auf deren dreidimensionalen Oberflächen flexible DMS-Foliensubstrate als Sensoren aufgeklebt werden, die eine aufgesputterte Dünnschichtmetallisierung für eine zusätzliche matrixartige Ausbildung von elektrischen Schaltkreisen und von Wandlern für verschiedene physikalische Größen aufweisen.

Die Biegefeder als Träger zur Aufnahme des Dehnungssensors kann auch abgesehen von jener speziellen Problematik des Erfassens einer ausgedehnten dreidimensionalen Topo­ graphie sehr unterschiedlich konfiguriert sein. So beschreibt DE 39 41 124 A1 ein Meß­ element, bei dem eine Lastaufnahmeplatte mittels Z-förmig abgewinkelt aufeinanderfol­ gender, quer gelochter Schenkel oberhalb der Ebene eines Ständerrahmens getragen wird, mit Applikation von DMS-Sensoren auf die Schenkelaußenflächen quer zu deren Durch­ gangslöchern. Nach DE 29 00 614 A1 ist ein von Lastpunktverschiebungen unabhän­ giges Meßergebnis zu erwarten, wenn bei einem Meßelement mit doppel­ schlüssellochähnlich geschlitztem Biegebalken die DMS-Sensoren auf der Balkenoberflä­ che im Bereich der Schlitzausbuchtungen auf quer zur Biegeachse und somit parallel zur Schlitzerstreckung in Balkenlängsrichtung verlaufende konkave Einbuchtungen appliziert werden. Zum Messen eines Weges ohne Verfälschung infolge nicht genau senkrecht zu einer sensorbestückten Blattfeder verlaufender Meßstrecke ist nach DE-AS 13 01 146 die Blattfeder ihrer Einspannung gegenüber durch einen torsionssteif angeschlossenen Meßstab verlängert und die Blattfeder zwischen diesem Anschluß und der Einspannung gelocht, mit Anordnung der DMS-Sensoren längs des Randes der Blattfeder beiderseits dieser Lochung. Bei einem dosenförmigen Drucksensor nach DE 38 77 170 T2 ist eine Messbrücke aus leitfähigem Polymer durch Siebdruck auf eine Membran aufgebracht, um in extrem klein bauenden Drucksensoren wie insbesondere für Blutdruckwandler auf kost­ spielige Siliziummembranen verzichten zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Biegemeßelement unter Anwendung preiswerterer Technologien funktionszuverlässiger auszulegen und ferner damit insbesondere einen auch über lange Standzeiten und häufige Wechselbeanspruchungen präzise und re­ produzierbar arbeitenden Drehwinkelgeber zu gestalten.

Diese technisch-wirtschaftlichen Anforderungen sind erfindungsgemäß durch die Lösun­ gen mit den in den Hauptansprüchen genannten Merkmalen erfüllt. Danach werden die eingeführten, technologisch aufwendigen Techniken zum Erstellen von - gewöhnlich dann eigens noch mit dem Träger zum Meßelement zu verklebenden - Folien- oder Dünn­ film-Dehnungssensoren verlassen. Statt dessen wird nun auf die viel preiswertere, als sol­ che gut beherrschbare Technologie der sogenannten moulded interconnect devices (MID) zurückgegriffen, nämlich auf das Aufbringen einer hier mäandrischen Leiterbahnenstruktur im Heißprägeverfahren direkt auf die wenigstens in diesem Bereich thermoplastische Oberfläche des Trägers. Diese MID-Technologie ist in DE 198 40 665 A1 näher beschrieben; aber auch etwa in DE 198 13 323 C1, hier zum Herstellen einer ohmschen Schaltstrecke im Zuge einer elektrischen Schaltungsstruktur, indem eine im Heißprägever­ fahren auf die Oberfläche eines thermoplastischen Schaltungsträgers aufgebrachte Leiter­ bahn mittels einer Stempelschneide aufgetrennt wird. Damit wird zugleich in die Oberflä­ che eine Nut eingedrückt, in welche die beiden Schnittenden der Leiterbahn eingebogen sind. Dadurch berühren sie sich nicht mehr, eine elektrische Verbindung zwischen diesen Leiterbahnenden beiderseits der Trennstelle wird erst durch Auflegen eines Kontaktstem­ pels wieder hergestellt. Hinweise auf Probleme in Zusammenhang mit der Realisierung und Anwendung von Biegemeßelementen oder gar auf Lösungen solcher Probleme sind aus einer solchen MID-Schalterkonfiguration ersichtlich selbst nachträglich nicht herleit­ bar.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der MID-Technologie zum Erstellen eines einteili­ gen Biegemeßelementes, indem eine Heißprägefolie unmittelbar auf den Biegeträger auf­ gebracht wird, wird aber ohne aufwendige Beschichtungserfordernisse oder sonstige Zwi­ schenschritte zum Erstellen von zunächst einem Dehnungssensor, der herkömmlicherweise dann erst noch mit einem Träger zum Dehnungsmeßelement zu kombinieren wäre, unmit­ telbar ein zwar nicht miniaturisiertes aber doch auch sehr klein bauendes Dehnungsmeße­ lement geschaffen, und das ohne die Problematik des Kraft-Nebenschlusses bei Applikati­ on eines Sensors auf einem Biegeträger. Das so unmittelbar auf seinem Biegeträger mit dem Dehnungssensor ausgerüstete Meßelement kann als preiswerter Drehwinkelgeber für einfache Steuerungs- und Regelungsaufgaben wie etwa in Zusammenhang mit der Ver­ stellung von Strömungsklappen in der Kraftfahrzeugklimatisierung eingesetzt werden, in­ dem das rotierende Antriebselement - beispielsweise gemäß der nachveröffentlichten DE 100 04 795 C1 "Motorisch betätigbare Klappe, insbesondere zur Beeinflussung des Querschnittes eines Fluid-Kanales" - über einen Exzenter oder über ein Schneckengetriebe auf einen Biegebalken einwirkt.

Um das teure Aufbringen einer Dünnfilm-Struktur im Hochvakuum auf eine Folie als Dehnungssensor und dessen zwangsläufig unzuverlässiges Verkleben mit einem Träger, insbesondere in Form eines Biegebalkens oder einer Druckmembran, zum Meßelement vermeiden zu können, wird also erfindungsgemäß die mäandrische Leiterbahnenstruktur des Sensors direkt aus einer entsprechend vorgestanzten elektrisch leitenden Folie im Heißprägeverfahren mittels Stempelübertragung in die thermoplastische Oberfläche des Trägers eingeschmolzen, womit schon unmittelbar - ohne weitere Zwischenschritte wie ein Verkleben zwischen Sensor und Träger - das Meßelement geschaffen ist. Im Falle einer von der Rotation eines Stellmotors abhängigen Auslenkung des freien Stirnendes eines diesem gegenüber einseitig eingespannten Biegebalkens als Meßelement erhält man dann einen preiswerten und sehr zuverlässigen Drehwinkelgeber.

Zur näheren Erläuterung dieser Anwendung und hinsichtlich weiterer Merkmale und Vor­ teile der erfindungsgemässen Lösungen wird außer auf die weiteren Ansprüche auch auf die nachstehende Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Funktionswesentliche nicht maßstabsgerecht skizzierten Realisierungsbeispielen für Drehwinkel­ geber Bezug genommen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen über einen Exzenter ausgelenkten, im Heißprägeverfahren unmittelbar mit der Leiterbahn des Meßstreifens bestückten Doppel-Biegebalken und

Fig. 2 einen Doppel-Biegebalken gemäß Fig. 1, aber mit einem Schneckentrieb zu seiner Auslenkung.

Ein als Meßelement dienender Biegebalkens 11 ist mit einem seiner beiden Stirnenden in einer Tragkonstruktion 12 starr eingespannt. Der Bereich des gegenüberliegenden, freien Stirnendes ist konstruktiv belastbar, um den Biegebalken 11 aus seiner durchgehend linea­ ren, hier horizontalen lastfreien Ruhestellung variabel auszulenken.

Ein massiver Biegebalken 11 würde sich unter Last mit stetig variierender Krümmung biegen. Hier ist aber bevorzugt ein als solcher bekannter Doppel-Biegebalken (11) vorgesehen, der über einen begrenzten mittleren Bereich gespalten ist und sich dadurch unter Last gestreckt S-förmig verformt, wie in der Zeichnung exemplarisch übertrieben skizziert. An den En­ den dieses in Längsrichtung des Biegebalkens 11 sich erstreckenden, horizontal durch die Breite des Biegebalkens 11 hindurchgreifenden und ihn dadurch im Mittenbereich der Höhe nach un­ terteilenden Schlitzes 13 sind Ausbuchtungen 14 freigespart, um dort den Querschnitt des Biegebalkens 11 regional gezielt zu schwächen und so hier die Verformung unter Biegebean­ spruchung zu verstärken. In diesen Bereichen sind die mäandrischen Leiterbahnenstruktu­ ren der Dehnungsmeßstreifen 16 direkt auf die in und gegen Lastangriff orientierten, in der Zeichnung also oben und unten gelegenen Oberflächen 15 des Biegebalkens 11 aufgebracht, nämlich im Stempel-Heißprägeverfahren aus einer entsprechend vorkonfigurierten Folie heraus eingeprägt.

Zum Einsatz eines solchen Meßelementes, hier also des Biegebalkens 11, als Drehwinkel­ geber ist für Fig. 1 davon ausgegangen, daß der Biegebalken 11 aufgrund seines Kunststoffmate­ rials genügend Elastizität aufweist, um sich wieder linear auszurichten, wenn eine extern einwirkende Biegebeanspruchung wieder aufgehoben ist. Das ist der Fall, wenn der Ex­ zenter 17, der als Kurvenscheibe vom Stellmotor 18 drehstarr etwa mit einem Stellelement 19 (Fig. 2) wie einer Drosselklappe verschwenkt wird, bis in die radial kurze (in der Zeich­ nung abgeflachte) Stellung gedreht hat, in welcher der Exzenter 17 das freie Ende des Biegebalkens 11 freigibt oder allenfalls noch geringfügig belastet. Über den konstruktiv vorgebba­ ren, drehwinkelabhängigen Verlauf der schneckenförmigen Berandung des Exzenters 17 lassen sich lastabhängige Nichtlinearitäten im Verhalten des Biegebalkens 11 bzw. seiner Dehnungsmeßstreifen 16 leicht kompensieren.

Der Aufbau des Meßelementes in Form des Biegebalkens 11 nach Fig. 2 entspricht völlig demjenigen nach Fig. 1. Allerdings ist die Auslenkung des Biegebalkens 11 entgegen Fig. 1 nun in beiden Richtungen möglich, und zwar zwangsgeführt, indem dessen der Einspannung gegenüberliegendes Stirnende nun über eine Verzahnung 20 mit einem Schnec­ kentrieb eines als Schneckengetriebe ausgebildeten Getriebes 21 in Eingriff steht. Der verdreht sich nach Maßgabe der Bewegung des Stellmotors 18, so daß sich entgegen dem Verhalten des Exzenters 17 nach Fig. 1 nun die definierte Auslen­ kung des Biegebalkens 11 auch über mehrere aufeinanderfolgende Umdrehungen des Stellmotors 18 erstrecken kann.

Claims (10)

1. Biegemeßelement mit einem mechanisch verformbaren Träger, auf dessen Kunststoff-Oberfläche (15) wenigstens eine mäandrisch verlaufende, elektrisch leitende Widerstandsbahn eines als Folie ausgebildeten Dehnungsmessstreifens (16) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunst­ stoff-Oberfläche (15) des Biegemeßelementes wenigstens im Bereich des Dehnungsmessstreifens (16) aus thermoplastischem Material besteht, und daß die Folie im Heißprägeverfahren direkt auf die Kunststoff-Oberfläche (15) aufgebracht ist.

2. Biegemeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Membran ist.

3. Biegemeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Biegebalken (11) ist.

4. Biegemeßelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (11) durch einen längs des Mittenbereiches verlaufenden Schlitz (13) geteilt ist, der an seinen Enden Ausbuchtungen (14) aufweist.

5. Biegemeßelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (16) in der Nähe der Ausbuchtungen (14) auf die äußere Oberfläche des Biegebalkens (11) aufgebracht ist.

6. Biegemeßelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus­ lenkbare Stirnende des elastischen Biegebalkens (11) von einem Exzenter (17) auf Biegung beauf­ schlagt ist.

7. Biegemeßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß über den konstruktiv vorgebbaren drehwinkelabhängigen Verlauf der schneckenförmigen Berandung des Exzenters (17) lastabhängige Nichtlinearitäten im Verhalten des Biegebalkens (11) und/oder des Dehnungsmessstreifens (16) kompensierbar sind.

8. Biegemeßelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das auslenkbare Stirnende des Biegebalkens (11) mit einem Getriebe (21) in Eingriff steht.

9. Biegemeßelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (21) ein Schnecken­ getriebe ist.

10. Verwendung eines Biegemeßelementes gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 in einem Drehwinkelge­ ber.