DE19857124C2 - Kraftsensor-System - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Die Erfindung

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.

Ausführungsbeispiel

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.

Bezugszeichen in den Zeichnungen

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.

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.

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.