DE19857124C2 - Kraftsensor-System - Google Patents
Kraftsensor-SystemInfo
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Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kraftmessung und ist insbesondere im
Bereich der industriellen Roboter und ähnlichen Geräten verwendbar. Hoch
präzise Herstellungsverfahren und -maschinen benötigen üblicherweise extrem
genaue Bewegungssteuerung und grosse Positioniergenauigkeit für die zu
montierenden Teile, sei es wegen der Komplexität des Herstellungsprozesses
oder wegen der Empfindlichkeit der Teile. Zu diesem Zweck werden häufig
Kraftsensoren oder Kraftmesser verwendet, mit deren Hilfe selbst empfindliche
Teile schonend positioniert und eingebaut werden können. Derartige Kraftsen
soren werden üblicherweise durch die zu messende Kraft deformiert und diese
Deformation oder die daraus resultierende mechanische Spannung in elektri
sche Signale umgewandelt, die wiederum zur Steuerung des Roboters und
damit des Herstellungsverfahrens herangezogen werden.
Besondere Aufmerksamkeit wird derzeit im Bereich der hochpräzisen, automa
tisierten Herstellungsverfahren solchen Kraftsensoren zugewandt, die nur eine
kleine oder gar keine Bewegung durchführen, wenn sie mit einer Kraft beauf
schlagt werden, d. h. deren Messweg möglichst klein oder Null ist. Von beson
derem Interesse ist dabei die Messung sehr kleiner Kräfte im Millinewton-
Bereich. Für die Messung solcher kleiner Kräfte - jedoch nicht für Monta
geaufgaben - geeignete Kraftsensoren, die üblicherweise mit einer Art Kraft
kompensation arbeiten, sind im Prinzip bekannt. Zwei Beispiele seien hier
genannt.
Es gibt Waagen mit einer Kraftkompensation, wie sie beispielsweise von der
Firma Mettler-Toledo AG, Schweiz, hergestellt werden. Eine solche Waage
wurde von E. Franz in "Dynamik von elektromechanischen Präzisionswaagen",
VDI-Fortschritts-berichte, Reihe 18, Nr. 124, beschrieben. Dabei dient die
Kraftkompensation allerdings zum Ausgleich von Nichtlinearitäten des Sensors
oder zur Verbesserung des Messbereichs und nicht zur Verringerung des
Messwegs. Der Grund liegt einfach darin, dass eine weglose Messung für
Waagen kein wichtiges Kriterium ist. Dazu kommt, dass Waagen selten Ein
schränkungen bezüglich ihrer Grösse und Bauweise unterliegen, so dass auch
Entwicklungen in Richtung möglichst geringer Abmessungen bisher weniger
von Interesse waren. Im Industrieroboterbereich spielt die Grösse aber dann
eine massgebende Rolle, wenn kleinste Teile zu montieren sind, da dies logi
scherweise eine entsprechende gedrängte Bauweise der Werkzeuge und damit
auch damit verwendeter Sensoren voraussetzt. Insgesamt scheinen daher die
für Waagen angewandten Prinzipien ungeeignet für eine Anwendung im Indu
strieroboterbereich.
Kraftkompensation wird auch im Bereich der MST, der Mikrosystem-
Technologie, für Beschleunigungsmesser benutzt. Solche Beschleunigungs
messer wurden beispielsweise von F. Rudolf et al. in "Precision Accelerometers
with µg Resolution" in der Zeitschrift "Sensors and Actuators", A21-A23
(1990) 297-302, pp. 997 ff., Elsevier Sequoia 1990, beschrieben. Darin ist ein
miniaturisierter Beschleunigungsmesser dargestellt, der auf einem mikrome
chanischen Silizium-Chip aufgebaut ist und der bei der Messung der Mikrogra
vitation in Raumfahrzeugen Verwendung findet. Jedoch ist auch hier die Kraft
kompensation im wesentlichen wieder zum Ausgleich von Nichtlinearitäten des
Sensors selbst und zur Verbesserung des dynamischen Bereichs, also des
Quotienten aus Messbereich und Messgenauigkeit, des Beschleunigungsmes
sers vorgesehen. Obwohl derartige Beschleunigungsmesser demnach einen
Ansatz zeigen, der für den angestrebten Zweck eher geeignet erscheint als der
durch die Wägetechnik gegebene Ansatz, gibt es einen entscheidenden Unter
schied. Da Beschleunigungsmesser eine Kraft messen, die durch das omni
präsente Gravitationsfeld gegeben ist, benötigen sie keinen äusseren Angriffs
punkt zur Einleitung der zu messenden Kraft. Dies vereinfacht sowohl das
Design wie die Herstellung eines Beschleunigungsmesser erheblich im Ver
gleich zu einem Kraftsensor, der natürlich eine Möglichkeit zur äusseren Kraft
einleitung benötigt.
Ein weiterer Punkt, der besondere Beachtung erfordert, ist die elektronische
Steuerung oder Rückkopplung, die die Rückstellkraft zum Messweg-Ausgleich
erzeugt. Diese muss ja die Rückstellkraft in ihrer Grösse so steuern, dass der
geforderte Wegausgleich erzielt wird. Ein Beispiel - allerdings wiederum für
den Bereich der Beschleunigungssensoren und daher nur bedingt übertragbar -
geben O. Krömer et al. in "Intelligentes triaxiales Beschleunigungssensorsy
stem", Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftliche Berichte FZKA 5670,
Nov. 1995, pp. 75-80.
Auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 01 278 A1 ist eine mechani
sche Kraftmessvorrichtung gezeigt, die ein Biegeelement benutzt. Dabei ist
aber wegen der einseitigen Einspannung und Auslenkung der Zusammenhang
zwischen Verschiebung und Kraft äusserst komplex und stark von der Einspan
nung selbst abhängig und damit kaum vernünftig reproduzierbar. Diese Art der
Kompensation hat den Zweck, eventuelle Nichtlinearitäten eines Sensors aus
zuschalten und den Messbereich zu vergrössern. M. a. W., es kann zwar auf die
Nullposition des Sensors geregelt werden, dies bringt aber den Balken, auf
welchen die Kraft einwirkt, keineswegs in die Nullage.
Die Nullage des Balkens, auf welchen die Kraft einwirkt, kann gemäss
DE 43 01 278 A1 überhaupt nicht gemessen werden. Eine Kompensation, wie
sie die vorliegende Erfindung vorsieht, ist demzufolge gar nicht möglich.
In der Offenlegunsschrift DE 40 14 205 A1 wird ein Verfahren zur Messung von
Kräften mittels elektrostatischer Kraftkompensation beschrieben. Beim Kraft
aufnehmer handelt es sich um ein Pendel als Mittelelektrode und zwei äussere
Elektroden. Das Pendel ist in der dargestellten Ausführung sicher nicht als
Werkzeugaufnahme oder dgl. geeignet. Dies ist auch aus den Patentansprü
chen ersichtlich, die ausschliesslich auf die Verbesserung der Auswerte-
Elektronik zielen. Wie Sensor und Kraftaufnahmebereich kompensierbar sein
sollen ist an keiner Stelle erläutert.
Das US-Patent 3 911 738 zeigt eine Anordnung, die im Prinzip der o. g. Offenle
gunsschrift DE 40 14 205 A1 entspricht, womit das dort Gesagte auch hier
zutrifft.
Schliesslich zeigt die Offenlegungsschrift DE 40 08 309 A1 nur den bereits
oben gewürdigten Stand der Technik, nämlich eine zwar geometrisch ähnliche,
aber funktionell völlig andersartige Struktur eines Teils des erfindungsgemä
ssen Systems. Der in dieser Offenlegungsschrift dargestellte Biegekraftauf
nehmer stellt einerseits keinen weglosen Kraftsensor dar, andererseits kann er
auch keinerlei Kompensationsfunktion ausüben, da ihm einige dafür erforderli
che Teile fehlen, z. B. eine starre Elektrode als Bezugselektrode und die not
wendige elektrische Kompensationseinrichtung.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass einige der zitierten Entgegen
haltungen zwar gewisse äussere Ähnlichkeiten mit der vorliegenden Erfindung
aufweisen, das der eigentliche Erfindungskern aber weder von einer einzelnen
noch von der Gesamtheit der Entgegenhaltungen gelöst wird.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, ein Kraftsensor-System
zu schaffen, dessen Struktur die zuverlässige und präzise, aber "weglose"
Messung sehr kleiner Kräfte erlaubt. "Weglos" in diesem Zusammenhang soll
bedeuten, dass die äussere Vorrichtung zur Kraftaufnahme bei der Messung
schlussendlich keine oder nur eine sehr kleine Bewegung in Kraftrichtung
durchführt, m. a. W., dass der Messweg sehr klein oder Null ist.
Das Kraftsensor-System soll für
Industrieroboter und ähnliche Geräte geeignet oder dafür adaptierbar sein.
Dabei spielt einerseits die Grösse an sich eine massgebende Rolle, anderer
seits ist aber auch an solche Anwendungen gedacht, bei denen eine "nicht
axiale", weglose Messmöglichkeit notwendig ist. "Nicht axial" soll hier bedeuten,
dass die Messrichtung des Kraftsensors sich zumindest näherungsweise
quer zu seiner Längserstreckung erstreckt. Dies steht im Gegensatz zu der
üblichen Bauart von Kraftsensoren, die beispielsweise als Kraftmessdosen in
ihrer Längsrichtung mit der zu messenden Kraft beaufschlagt werden. Im Indu
strieroboterbereich ist dies für viele Anwendungen unvorteilhaft oder nicht
brauchbar.
Vorteilhafterweise erlaubt die Kraftsensor-Struktur den Einsatz von
Herstellungsmethoden der Mikrotechnik. Einerseits ermöglicht diese
eine besonders gedrängte und gleichzeitig unempfindliche Bauweise, die für
industrielle Sensor Anwendungen oft eine entscheidende Rolle spielt. Hier sei
beispielsweise die Temperaturempfindlichkeit genannt, die z. B. bei einem
durchgängig aus gleichem oder ähnlichen Material bestehenden Sensor gerin
ger ist als bei einem aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Sensor.
Andererseits erlaubt es der Einsatz der Mikrotechnik für die Sensor-Herstellung,
zusätzliche Funktionen im oder am Sensor vorzusehen oder sogar zu integrie
ren, was bei anderen Bauweisen praktisch ausgeschlossen ist. Ein Beispiel
dafür ist die Integration eines elektronischen Verstärkers oder Regelkreises
unmittelbar auf Halbleitermaterial, wenn der Sensor oder ein Teil desselben
daraus besteht.
Summarisch lässt sich die Er
findung beschreiben als in Mikrotechnik integrierter, nicht axialer, messwegloser
Kraftsensor für sehr kleine Kräfte, der besonders für industrielle Roboter-
Anwendungen geeignet ist, aber aufgrund seiner geringen Abmessungen und
hohen Präzision natürlich auch in anderen Bereichen, beispielsweise der medi
zinischen Operationstechnik oder der Präzisions-Messtechnik, verwendet wer
den kann. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, in der einerseits die Struktur und das
Messverfahren detailliert dargestellt sind und andererseits ein Beispiel für die
vorteilhafte Herstellung eines erfindungsgemässen Kraftsensors gegeben ist.
Wie oben bereits angedeutet, wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemässen Kraftsensors, des mit ihm durchführbaren Messverfahrens
und ein Beispiel für eine vorteilhafte Schaltung zum Betrieb im Zusammenhang
mit den dazugehörigen Zeichnungen beschrieben. Auf letzteren zeigen:
Fig. 1a ein typisches Anwendungsbeispiel eines Kraftsensors gemäss der
Erfindung;
Fig. 1b ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftsensor-Systems
gemäss der Erfindung;
Fig. 2 ein Beispiel für eine Struktur eines Kraftsensors, zusammen mit
einem Schaltungsbeispiel zum Bestimmen der Eigenschaften ei
nes kapazitiven Sensors;
Fig. 3 den Kraftsensor aus Fig. 2, hier zusammen mit einem Schal
tungsbeispiel zum Bestimmen der Eigenschaften eines integrier
ten elektrostatischen Aktors;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung integrierter piezoresi
stiver Elemente; und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zum Betrieb eines
Kraftsensors gemäss der Erfindung.
Fig. 1a zeigt die grundsätzliche, sehr schematische Anordnung, wie ein
Kraftsensor gemäss der Erfindung verwendet werden kann. Im gezeigten Bei
spiel dient der Kraftsensor 1 einerseits als Sensor und andererseits als Halte
rung für ein Werkzeug 2, wobei letzteres von einem Industrieroboter 3 gesteuert
und bedient wird. Mit dem Werkzeug 2 können beispielsweise unter Steuerung
des Roboters 3 Teile auf einer (elektrischen) Leiterplatte plaziert und/oder befe
stigt werden, wobei die bei der Montage auftretenden Kräfte mittels des
Kraftsensors 1 genau kontrolliert werden können und damit eine hochpräzise
Positionierung bei gleichzeitiger Schonung der montierten Werkstücke ermög
licht wird.
Generell kann man sagen, dass, um eine hochpräzise Positionierung zu errei
chen, es normalerweise erforderlich und üblich ist, die verwendete Werkzeug
halterung möglichst steif, also mit geringer Nachgiebigkeit, auszubilden. Da
jedoch andererseits das Werkstück mit einer genau bemessenen, kleinen Kraft
auf- oder eingesetzt werden muss, wird dafür ein Kraftsensor benötigt, der den
Roboter entsprechend steuert. Solche Kraftsensoren, die an sich auch in die
ser Anwendung bekannt sind, besitzen notwendigerweise eine gewisse Nach
giebigkeit, die zur Erzeugung des Sensorsignals dient. Insbesondere ist die
Auflösung üblicher Kraftsensoren näherungsweise proportional ihrer Nachgie
bigkeit, so dass gerade bei grosser Empfindlichkeit die bei der Messung auf
tretenden Messwege immer grösser werden. Will man nun den Kraftsensor
selbst als Werkzeughalterung benutzen, so liegt das Problem auf der Hand:
Die an sich möglichst steif auszubildende Werkzeughalterung muss wegen der
erforderlichen Kraftmessung eine gewisse Weichheit oder Nachgiebigkeit auf
weisen. Diesen offensichtlichen Widerspruch aufzulösen, ist ein Hauptanliegen
der Erfindung. Zwar wurden, wie oben erwähnt, wegkompensierte Kraftsensoren
bereits vorgeschlagen, aber diese bekannten Anordnungen waren für ande
re Zwecke entwickelt und können daher das hier angestrebte Ziel nicht oder nur
mit grossen Einschränkungen erreichen.
Die Erfindung erreicht nun dieses Ziel in mehrfacher Weise: Strukturell erreicht
sie es durch eine besondere Ausbildung des Kraftsensors. Zweitens ermögli
chen die entsprechende erfindungsgemässe Messanordnung und das zugehö
rige Messverfahren, also der Betrieb des Kraftsensors, eine "weglose" Kraft
messung. Und drittens ist für einen solchen Kraftsensor ein Aufbau angege
ben, bei dessen Herstellung in vorteilhafter Weise mikrotechnische Methoden
zur Integration erfindungsgemässer Elemente des Kraftsensors eingesetzt
werden können.
Während Fig. 1a sich auf die Verwendung des erfindungsgemässen Kraftsen
sors bezieht, ist in Fig. 1b schematisch ein vollständiges System eines
Kraftsensors gemäss der Erfindung gezeigt. Funktionell besteht der Kraftsen
sor 1 im wesentlichen aus einer elastische Struktur 4, einem Sensorelement 5
und einem Aktor 6. Das Sensorelement 5 misst die von der einwirkenden Kraft F
bewirkte Verschiebung oder Veränderung der elastischen Struktur 4 und über
mittelt ein geeignetes Signal an eine Sensor-Elektronik 7, die an einen Regler 8
als Ausgangssignal einen Istwert abgibt, der ein Mass für die stattgefundene
Verschiebung oder Veränderung der elastischen Struktur 4 ist. Der Regler 8,
der vorzugsweise als PID-Regler ausgebildet ist, ermittelt nun aus diesem Ist
wert einen Stellwert, der über eine geeignete Ansteuerungselektronik 9 als
Stellsignal auf den Aktor 6 einwirkt. Der Aktor 6 bewirkt nun eine Rückstellung
der Verschiebung oder andere Veränderung der elastischen Struktur 4. An der
Klemme 10 kann der Stellwert, der auch ein Mass für die Kraft F ist, für andere
Zwecke abgenommen werden.
In Fig. 2 ist ein Beispiel für die Struktur eines Kraftsensors gemäss der Erfindung
gegeben, das nachfolgend beschrieben werden soll - vorerst ohne Ein
beziehung der ebenfalls gezeigten elektrischen Schaltung, deren Erläuterung
weiter unten erfolgt.
Der in Fig. 2 detailliert gezeigte Kraftsensor gemäss einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung besteht im wesentlichen aus drei Teilen, die vorzugsweise aus
Halbleitermaterial bestehen. Aus später ersichtlichen Gründen sollen diese drei
Teile Elektroden genannt werden, obwohl hier erst einmal ihre mechanische
Ausbildung und Zuordnung beschrieben ist. Die drei Teile sind eine steif aus
gebildete Mittelelektrode 21 und zwei, diese Mittelelektrode teilweise einschlie
ssenden, parallel angeordneten, beweglichen Elektroden 22 und 23. Letztere
sind hier symmetrisch ausgebildet. Am linken, etwas verdickten Ende der Mit
telelektrode sind die beiden beweglichen Elektroden 22 und 23 unmittelbar
befestigt, während sie am rechten Ende durch ein viertes Teil, das Zwischen
stück 28 verbunden sind, das zumindest ungefähr die gleiche Dicke wie das
verdickte Ende der Mittelelektrode aufweist. Die Beweglichkeit der Elektroden
22 bzw. 23 wird strukturell erreicht, nämlich durch Ausbildung dünner elasti
scher Stege als Biegegelenke 24 und 24' bzw. 25 und 25'. Insgesamt ergibt
sich dadurch eine elastische Parallelogramm-Struktur, die am rechten Ende auf
und ab bewegt werden kann, wie durch den Pfeil angedeutet werden soll. Wie
schon angedeutet, können die genannten Teile 21 bis 28 vorzugsweise durch
mikrotechnische Herstellungsverfahren aus Halbleitermaterial hergestellt wer
den, wodurch praktisch beliebige Abmessungen möglich sind und vor allem die
gewünschte kompakte Form der gesamten Anordnung erzielt werden kann.
Eine besondere Rolle für die Funktion des erfindungsgemässen Kraftsensors
spielt die Steifheit bzw. Nachgiebigkeit der drei Elektroden 21 bis 23. So soll die
Mittelelektrode 21 zumindest in Pfeilrichtung steif ausgebildet sein, d. h. einer
Auf- und Abbewegung grossen Widerstand entgegensetzen. Vorzugsweise
wird sie generell in allen Richtungen eher steif ausgebildet sein. Demgegenüber
sollen die beiden beweglichen Elektroden 22 und 23 gerade in Pfeilrich
tung nachgiebig ausgebildet sein und sich - vorzugsweise elastisch - leicht auf
und ab bewegen lassen. In den anderen Richtungen sind auch die beweglichen
Elektroden 22 und 23 erfindungsgemäss steif ausgebildet.
Durch elektrische Isolation der Mittelektrode 21 von den beiden beweglichen
Elektroden 22 und 23 entstehen insbesondere am rechten Ende der Anordnung
in Fig. 2 zwei variable Kondensatoren 26 und 27 mit jeweils einer festen und
einer beweglichen Elektrode. Jeder dieser Kondensatoren 26 bzw. 27 kann
nun einerseits für eine Messung der (elastischen) Auslenkung des Kraftsensors
und damit für die am rechten Ende aufgebrachte, zu messende Kraft genutzt
werden. Andererseits kann jeder dieser Kondensatoren 26 bzw. 27 als kapazi
tiver Aktor benutzt werden, indem mittels einer angelegten Spannung eine
Kraftwirkung zwischen den Kondensatorelektroden erzeugt wird. Darauf wird
weiter unten noch eingegangen.
Vorzugsweise wird die genannte elektrische Isolation der Mittelektrode 21 von
den beiden beweglichen Elektroden 22 und 23 durchgängig, also über die ge
samte Elektrodenlänge zumindest auf der Innenseite der Anordnung durchge
führt. Dadurch kann die steife Mittelelektrode 21 gleichzeitig als mechanischer
Anschlag und damit als mechanischer Überlastschutz für die beweglichen
Elektroden 22 und 23 dienen, ohne die elektrischen Funktion zu beeinflussen.
Diese soll nachfolgend beschrieben werden.
Der erfindungsgemässe weglose Kraftsensor gemäss dem hier gezeigten Aus
führungsbeispiel benutzt eine kapazitive Messung der aufgebrachten Kraft.
Dazu dient einer der genannten Kondensatoren 26 bzw. 27. Der andere der
beiden Kondensatoren dient als Aktor zur Kompensation der Auslenkung, die ja
durch die zu messende Kraft erzeugt wird. Ein Beispiel für eine dazu geeignete
elektrische Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt und dort beschrieben.
Die spezielle, in Fig. 2 gezeigte Schaltung, die im wesentlichen aus den elektri
schen Verbindungen zu den voneinander isolierten Elektroden 21, 22 und 23,
einem Klemmenpaar 29 zwischen den Elektroden 21 und 23 und einem Kapa
zitäts-Messgerät 20 zwischen den Elektroden 21 und 22 besteht, dient zur
Charakterisierung oder Kennlinienermittlung des Kapazitätsverlaufs der Anord
nung. Die Mittelelektrode 21 liegt auf Masse, während auf den oberen Konden
sator 26 eine Betätigungsspannung mittels der variablen Spannungsquelle 20
gegeben wird. Am Klemmenpaar 29 kann nun mit einem geeigneten Messgerät
die Kapazität des unteren Kondensators 27 in Abhängigkeit von der angelegten
Betätigungsspannung gemessen werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Struktur hat noch eine weitere vorteilhafte Eigen
schaft. Da sowohl Sensor wie Aktor integriert sind, ist es möglich, mit dem
Aktor eine Auslenkung zu produzieren, die vom Sensor gemessen werden
kann. Damit kann die Funktionalität der Anordnung praktisch jederzeit ohne
externe Hilfsmittel geprüft werden, was besonders bei industriellen Anwendun
gen ein grosser Vorteil ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung dient zur Charakterisierung oder Kennlinie
nermittlung des elekrostatischen Aktors, d. h. der Kompensationseinrichtung.
Ein optisches Profilometer 31 misst den Weg des freien Endes des Kraftsen
sors in Abhängigkeit von der elektrostatisch aufgebrachten Rückstellkraft. Das
im unten aufgeführten Beispiel verwendete Profil-Messgerät 31 hat eine Auflö
sung von 6 nm und eine Drift von 1 nm/s. Die elektrische Schaltung ist so aus
geführt, dass am Klemmenpaar 32 einerseits die starre Mittelelektrode 21 und
die untere bewegliche Elektrode 23 miteinander verbunden am Masse-Pol einer
Spannungsquelle anliegen, während andererseits die obere bewegliche Elek
trode 22 an den anderen Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist. Auf
diese Art kann der Verlauf der Auslenkung des freien Kraftsensor-Endes als
Funktion der angelegten Kompensationsspannung ermittelt werden.
Hier sind Beispiele für die in einer Versuchsanordnung gemessenen Werte. In
dieser symmetrischen Anordnung wie in Fig. 2 betrug die Fläche der in erster
Näherung quadratischen Elektroden 26,5 mm2 und der Elektrodenabstand 2 µm.
Aufgrund der Parallogramm-Struktur der Anordnung ist ausreichende
Parallelität der Elektroden gewährleistet. Das Eigengewicht der beweglichen
Teile, also im wesentlichen der beiden beweglichen Elektroden 22 und 23,
wurde zu 1,47 mN bestimmt und beim Herumdrehen der Anordnung nahm die
Kapazität um 70 nF ab, da sich ja der Abstand der Elektroden des Kondensa
tors 26 beim Herumdrehen vergrössert. Die Kraftänderung ist in diesem Fall
das Doppelte der Gravitationskraft, also ca. 3 mN. Diese Kraft kann nun mittels
einer Kompensationsspannung von ca. 9,3 V so kompensiert werden, dass die
beweglichen Elektroden 22 und 23 des Kraftsensors wieder in ihrer ursprüngli
chen Lage befinden, quasi dahin zurückgeführt werden.
Es soll noch erwähnt werden, dass die beim Ausführungsbeispiel angewandte
kapazitive Messung der Kraft, beispielsweise in der in den Fig. 2 und 3
gezeigten Form, den Vorteil der sehr einfachen Herstellung hat, da im wesentli
chen nur mikromechanische Bearbeitungsschritte nötig sind. Ausserdem er
laubt eine solche Herstellung die parallele Massenfertigung einer Vielzahl von
Sensoren auf einem Wafer, analog der parallelen Massenfertigung von Halb
leiterschaltungen. Dass die sich dabei ergebende kompakte - und tatsächlich
integrierte - Bauweise des erfindungsgemässen Sensors eine ganze Reihe
von Vorzügen gegenüber einem Sensor aus Einzelbauteilen aufweist, liegt auf
der Hand. Bei entsprechender Materialwahl kann sowohl die Temperaturab
hängigkeit minim gehalten als auch die Abmessungen praktisch beliebig klein
gewählt werden, womit sich der Kreis der Anwendungsmöglichkeiten für solche
Sensoren enorm erweitern lässt.
Dazu kommt noch ein weiterer Vorzug, insbesondere gegenüber solchen Sen
soren, die metallische Elemente enthalten. Da die erfindungsgmässen Sensoren
vorzugsweise aus Material mit einkristalliner Struktur hergestellt werden,
kann Ermüdungsfreiheit vorausgesetzt werden. Auch sind weder langsame
Änderungen der Abmessungen, hervorgerufen durch sog. Kriechen, noch Än
derungen der elektrischen Werte im Lauf der Zeit zu erwarten.
In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird statt der kapazitiven Mes
sung der aufgebrachten Kraft eine piezoresitive Messung benutzt. Dazu sind
im Bereich eines Biegegelenks 24 einer der beweglichen Elektroden 22
und/oder 23 piezoresistive Elemente 41, 41' und 42, 42' aufgebracht. Entspre
chende Elemente können natürlich an mehreren der vorhandenen Biegegelen
ke 24, 24' bzw. 25, 25' (Fig. 2) angebracht werden. Dem mit der Technologie
vertrauten Fachmann ist auch klar, dass Anordnung, Grösse und Eigenschaften
der piezoresistiven Elemente und des oder der Biegegelenke aufeinander ab
gestimmt sein müssen, um brauchbare Resultate zu erzielen. Wie in Fig. 4
gezeigt, können beispielsweise jeweils ein Paar längsliegende Piezo-
Widerstände 41, 41' und querliegende Piezo-Widerstände 42, 42' verwendet
werden. Jedenfalls dienen die Piezo-Widerstände statt des im obigen Ausfüh
rungsbeispiel verwendeten unteren Kondensators 27 zur Kraft-Ermittlung im
erfindungsgemässen weglosen Kraftsensor. Sinnvollerweise werden die Piezo-
Widerstände natürlich in die bewegliche(n) Elektrode(n) mittels üblicher Halb
leitertechnologie integriert. Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Piezo-
Widerständen besteht darin, dass auf diese Weise der Sensorbereich der An
ordnung völlig vom elektrostatischen Aktorbereich entkoppelt wird, was den
grösseren Herstellungsaufwand rechtfertigen kann.
Die elektronische Steuerschaltung sollte in der Lage sein, ein der Nullage, d. h.
unbelasteten Position, der bewegliche(n) Elektrode(n) 22 und 23 entsprechen
des Signal zu erkennen und den Aktor, hier in Form eines Kondensators 26, mit
einem entsprechenden Rückkopplungssignal zu versorgen. Durch diese
Schreibweise sind schon einige Möglichkeiten angedeutet, die noch genauer
aufgeschlüsselt werden sollen. Folgende Möglichkeiten ergeben sich:
- 1. Man nutzt nur einen einzigen der Kondensatoren 26 oder 27. Die Kapazität wird beispielsweise durch ein hochfrequentes Mess-Signal ermittelt und die Kompensation durch entsprechende Spannungs-Beaufschlagung des glei chen Kondensator bewirkt.
- 2. Man nutzt beide Kondensatoren 26 und 27. Die Kapazität des einen Kon densators, z. B. 27, wird gemessen während die Kompensationskraft am an deren Kondensator, also 26, wie im obigen Beispiel gezeigt, erzeugt wird.
- 3. Man nutzt wiederum beide Kondensatoren 26 und 27. Die differentielle Kapazität beider Kondensatoren 26 und 27 wird gemessen und die Kom pensationskraft durch beide Kondensatoren erzeugt.
Die erste Möglichkeit hat den Nachteil, dass die Kapazitätsmessung die Kraf
terzeugung beeinflusst und umgekehrt. Ausserdem ist sie relativ aufwendig in
der elektronischen Realisierung. Die zweite Möglichkeit ist demgegenüber
leichter zu realisieren, hat aber den Nachteil, dass nur Kräfte, die in einer Rich
tung wirken, gemessen werden können. Die beiden genannten Möglichkeiten
üben auf die Anordnung aufgrund der Mess-Spannung eine elektrostatische
Kraft aus.
Die dritte Möglichkeit ist zwar komplexer in der Ausführung, hat aber den Vorteil
der Symmetrie. Dadurch können einerseits Kräfte in beiden Richtungen ge
messen werden, andererseits erzeugen die notwendigen Mess-Spannungen in
der Nullage keine freien Kräfte.
Fig. 5 schliesslich zeigt eine elektronische Steuerschaltung, wie sie zum Betrieb
des Kraftsensors verwendet werden kann. Eine solche Schaltung wurde von
Krömer a. a. O. angegeben, allerdings in einer nicht vergleichbaren Anwendung.
Wie erkennbar, wird hier die Kraftsensor-Ausführung mit kapazitiver Messung
verwendet. Jedoch ist das Schaltungsprinzip so abwandelbar, dass es auch für
eine piezoresitive Messung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, verwendbar ist.
In der gezeigten Schaltung ist jede der beiden beweglichen Elektroden 22 bzw.
23 des Kraftsensors an jeweils eine Gleichstromquelle 52 bzw. 54 und eine mit
letzterer in Reihe geschaltete HF-Wechselstromquelle 53 bzw. 55 separat an
geschlossen. Die Spannungen sind so gepolt, dass die oben beschriebenen
Kräfte sich aufheben, so dass der bewegliche Teil des Kraftsensors, der ja im
wesentlichen durch die beweglichen Elektroden 22 und 23 gebildet wird, sich in
der Nullage gegenüber der Mittelektrode 21 befindet. Eine Auslenkung, im
Betrieb hervorgerufen durch eine auf das linke Ende des Kraftsensors wirkende
Kraft (man beachte, dass der Kraftsensor hier spiegelverkehrt gegenüber den
Fig. 1 bis 3 dargestellt ist), bewirkt das Auftreten eines amplituden- und
phasenmodulierten Signals in der Mittelelektrode 21, wobei Amplitude und
Phase mit der Grösse und Richtung der Auslenkung korrelieren. Im sog. syn
chronen Demodulator 56, der im wesentlichen aus einem Summierglied 57 und
einem Tiefpass 58 besteht, wird mit dem erhaltenen Sensor-Signal eine pha
senempfindliche Gleichrichtung durchgeführt, wobei eines der HF-Signale als
Phasen-Referenz dient. Das Ausgangssignal des synchronen Demodulators 56
ist proportional der Auslenkung des Kraftsensors. Dieses Ausgangssignal wird
nun mittels eines Reglers 59 in eine Steuerspannung umgewandelt, die einer
seits über den Zirkulator 51 auf die Mittelektrode 21 gebracht wird und die
Messweg-Rückstellung bewirkt, andererseits am Ausgang 50 zur Verfügung
steht. Zusammen mit der auf die beweglichen Elektroden 22 und 23 aufge
brachten Gleichspannung, die als Vorspannung wirkt, wird damit die Messweg-
Kompensation bewirkt und der Messweg auf Null reduziert. Vorteile dieser
Anordnung sind, dass das Ausgangssignal linear von der gemessenen Kraft
abhängt und dass die Elastizitätsmoduln der beweglichen Elektroden 22 und
23, und damit praktisch der gesamten Anordnung, irrelevant sind.
Die Herstellung eines Kraftsensors, wie er in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist,
kann beispielsweise mittels bekannter mikromechanischer oder mikrotechni
scher Verfahren unter Verwendung von Halbleiter-Technologie erfolgen. Bei
der Verwendung von Silizium als Grundmaterial für die Elektroden 21 bis 23
können die (111)-Ebenen als Kontaktflächen verwendet werden, die Isolations
schichten können durch bekannte Passivierungs-Methoden erzeugt werden und
das Zusammenfügen der drei Elektroden kann durch bekannte Bonding-
Verfahren erfolgen. Für die Fachperson sind zweifellos Abwandlungen, auch
Vereinfachungen der Herstellung, der Arbeitsweise, der gezeigten Schaltungen,
etc. erkennbar, die auf der Grundlage des dargestellten erfinderischen Prinzips
erfolgen und daher im Rahmen der Erfindung liegen.
Fig.
1
1
Kraftsensor
2
Werkzeug
3
Industrieroboter
4
elastische Struktur
5
Sensorelement
6
Aktor
7
Sensorelektronik
8
Regler
9
Ansteuerungselektronik
10
Klemme
Fig.
2
20
variable Spannungsquelle
21
Mittelelektrode
22
(obere) bewegliche Elektrode
23
(untere) bewegliche Elektrode
24
,
24
' elastische Biegegelenke der oberen beweglichen Elektrode
25
,
25
' elastische Biegegelenke der unteren beweglichen Elektrode
26
oberer Kondensator
27
unterer Kondensator
28
Zwischenstück
29
Klemmenpaar für Kapazitätsmessung
Fig.
3
zusätzlich
31
Profilometer
32
Klemmenpaar
Fig.
4
zusätzlich
41
,
41
' längsliegende Piezo-Widerstände
42
,
42
' querliegende Piezo-Widerstände
Fig.
5
zusätzlich
50
Ausgang
51
Zirkulator
52
,
54
Gleichspannungsquelle
53
,
55
HF-Wechselspannungsquelle
56
synchroner Demodulator
57
Summierglied
58
Tiefpass
59
Regler
Claims (8)
1. Kraftsensor-System für kleine Kräfte mit
einer ersten Elektrode (21), die zumindest an einem Ende eingespannt und in einer ersten Richtung senkrecht zu ihrer Längserstreckung relative starr ist,
einer zweiten Elektrode (22) zur Kraftaufnahme, die an einem Ende eingespannt, in der genannten ersten Richtung relativ flexibel ist und der ersten Elektrode (21) elektrisch isoliert ungefähr parallel in geringem Abstand gegenüberliegt,
einer dritte Elektrode (23) zur Kraftaufnahme, die im wesentlichen der zweiten flexiblen Elektrode (22) entspricht und ungefähr parallel zu ihr, insbesondere spiegelbildlich, auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode (21) verläuft, wobei die beiden flexiblen Elektroden an ihren freien Enden so miteinander verbunden sind, dass sie die starre Elektrode (21) im wesentlichen umfassen und die verbundenen freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23) den Krafteinleitungspunkt des Kraftsensor-Systems darstellen, und
mit Einrichtungen (26 oder 27, 51 bis 59 bzw. 41, 41', 42, 42') zur Kompensation der Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) durch Kraftwirkung zwischen den Elektroden (21 und 22 bzw. 23), wobei erste elektrische Mittel (26 oder 27, 52 bis 58 bzw. 41, 41', 42, 42') zum Ermitteln der Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) bei Krafteinwirkung und damit verbundene zweite elektrische Mittel (26 oder 27, 51, 59) zur Kompensation der ermittelten Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) mittels elektrischer Kräfte zwischen den Elektroden (21, 22, 23) vorgesehen sind.
einer ersten Elektrode (21), die zumindest an einem Ende eingespannt und in einer ersten Richtung senkrecht zu ihrer Längserstreckung relative starr ist,
einer zweiten Elektrode (22) zur Kraftaufnahme, die an einem Ende eingespannt, in der genannten ersten Richtung relativ flexibel ist und der ersten Elektrode (21) elektrisch isoliert ungefähr parallel in geringem Abstand gegenüberliegt,
einer dritte Elektrode (23) zur Kraftaufnahme, die im wesentlichen der zweiten flexiblen Elektrode (22) entspricht und ungefähr parallel zu ihr, insbesondere spiegelbildlich, auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrode (21) verläuft, wobei die beiden flexiblen Elektroden an ihren freien Enden so miteinander verbunden sind, dass sie die starre Elektrode (21) im wesentlichen umfassen und die verbundenen freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23) den Krafteinleitungspunkt des Kraftsensor-Systems darstellen, und
mit Einrichtungen (26 oder 27, 51 bis 59 bzw. 41, 41', 42, 42') zur Kompensation der Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) durch Kraftwirkung zwischen den Elektroden (21 und 22 bzw. 23), wobei erste elektrische Mittel (26 oder 27, 52 bis 58 bzw. 41, 41', 42, 42') zum Ermitteln der Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) bei Krafteinwirkung und damit verbundene zweite elektrische Mittel (26 oder 27, 51, 59) zur Kompensation der ermittelten Auslenkung der flexiblen Elektroden (22, 23) mittels elektrischer Kräfte zwischen den Elektroden (21, 22, 23) vorgesehen sind.
2. Kraftsensor-System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten elektrischen Mittel eine kapazitive Messanordnung (26 bzw. 27)
und/oder eine piezoresistive Messanordnung (41, 41', 42, 42') enthalten.
3. Kraftsensor-System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweiten Schaltungsmittel eine kapazitive Betätigungsanordnung in Form
eines Kondensators (26 bzw. 27) enthalten.
4. Kraftsensor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der flexiblen Elektroden (22 bzw. 23) zumindest partiell
zusammen mit der starren Elektrode (21) einen Kondensator (26 bzw. 27) bildet,
dessen Kapazitätsänderung ein Mass für die Auslenkung der flexiblen Elektroden
(22 bzw. 23) ist.
5. Kraftsensor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der flexiblen Elektroden (22 bzw. 23) zusammen mit der starren
Elektrode (21) einen Kondensator (26 bzw. 27) bildet, dessen elektrostatische Kräfte
zur Kompensation der gemessenen Auslenkung einer oder beider flexiblen
Elektroden (22 bzw. 23) dienen.
6. Kraftsensor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der flexiblen Elektroden (22 bzw. 23) aus Halbleitermaterial,
insbesondere Silizium, besteht und auf ihrer Länge mindestens einen, vorzugsweise
zwei verdünnte Stege (24, 24' bzw. 25, 25') aufweist, die als Biegegelenke
scharnierähnlich die Flexibilität der Elektrode bewirken.
7. Kraftsensor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle drei Elektroden (21 bis 23) einseitig eingespannt sind,
dass jede der beiden flexiblen Elektroden (22 und 23) auf ihrer Länge jeweils zwei verdünnte Stege (24, 24' bzw. 25, 25') aufweist, die jede der flexiblen Elektroden in drei Abschnitte teilt und scharnierähnlich die Flexibilität der Elektrode bewirken,
dass die freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23), d. h. der jeweils äussere Abschnitt, so miteinander verbunden sind, dass sie im wesentlichen parallel verlaufen und die starre Elektrode (21) einschliessen,
dass zumindest ein äusserer Abschnitt einer flexiblen Elektrode (22 oder 23) mit der starren Elektrode (21) einen Kondensator bildet, und
dass die verbundenen freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23) den Krafteinleitungspunkt des Kraftsensors darstellen.
dass alle drei Elektroden (21 bis 23) einseitig eingespannt sind,
dass jede der beiden flexiblen Elektroden (22 und 23) auf ihrer Länge jeweils zwei verdünnte Stege (24, 24' bzw. 25, 25') aufweist, die jede der flexiblen Elektroden in drei Abschnitte teilt und scharnierähnlich die Flexibilität der Elektrode bewirken,
dass die freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23), d. h. der jeweils äussere Abschnitt, so miteinander verbunden sind, dass sie im wesentlichen parallel verlaufen und die starre Elektrode (21) einschliessen,
dass zumindest ein äusserer Abschnitt einer flexiblen Elektrode (22 oder 23) mit der starren Elektrode (21) einen Kondensator bildet, und
dass die verbundenen freien Enden der flexiblen Elektroden (22 und 23) den Krafteinleitungspunkt des Kraftsensors darstellen.
8. Kraftsensor-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden (21 bis 23) zumindest teilweise mittels mikromechanischer
Fertigungsmethoden aus Halbleitermaterial, insbesondere einkristallinem Silizium,
hergestellt werden, wobei insbesondere die notwendigen Isolationen mittels
Halbleiter-Passivierungsverfahren und/oder die notwendigen Verbindungen mittels
Halbleiter-Bonding hergestellt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998157124 DE19857124C2 (de) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | Kraftsensor-System |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998157124 DE19857124C2 (de) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | Kraftsensor-System |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19857124A1 DE19857124A1 (de) | 2000-07-06 |
DE19857124C2 true DE19857124C2 (de) | 2002-04-18 |
Family
ID=7890693
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998157124 Expired - Fee Related DE19857124C2 (de) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | Kraftsensor-System |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19857124C2 (de) |
Families Citing this family (3)
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EP1373847A1 (de) * | 2001-03-30 | 2004-01-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Kapazitives mikrosystem zur erfassung mechanischer verformungen, verwendung und betriebsverfahren |
ITBO20080516A1 (it) * | 2008-08-07 | 2010-02-08 | Sortron S R L | Dispositivo per misurare il peso di un oggetto |
CN116331522B (zh) * | 2023-05-26 | 2023-08-01 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种空间高微重力环境控制***及方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4008309A1 (de) * | 1990-03-15 | 1991-09-19 | Bizerba Werke Kraut Kg Wilh | Biegekraftaufnehmer, insbesondere fuer waagen |
DE4301278A1 (de) * | 1993-01-19 | 1994-07-21 | Siemens Ag | Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Kraft |
-
1998
- 1998-12-11 DE DE1998157124 patent/DE19857124C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE19857124A1 (de) | 2000-07-06 |
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