DE19858792C2

DE19858792C2 - Sensor zur Bestimmung der Temperatur in der Kontaktzone zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern, insbesondere einer Schleifscheibe und einem Werkstück

Info

Publication number: DE19858792C2
Application number: DE1998158792
Authority: DE
Inventors: Christian Boehm; Oliver Ahrens; Ekkard Brinksmeier; Josef Binder
Original assignee: Universitaet Bremen
Current assignee: Universitaet Bremen
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: AU1981600A; WO2000037909A1; DE19858792A1; EP1149274A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung der Temperatur in der Kontaktzone zwischen zwei in Kontakt stehenden und relativ zueinander bewegbaren Körpern, insbesondere der Kontaktzone zwischen einer Schleifscheibe und einem Werkstück beim Schleifen, mit einem zwei elektrische Leiter auf weisenden Thermoelement zur Erzeugung einer der zu bestimmenden Temperatur entsprechenden elektrischen Spannung.

Beim Schleifen mittels einer rotierenden Schleifscheibe können sehr hohe Temperaturen im Kontaktbereich zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück von bis zu etwa 1200°C auftreten. Eine Kenntnis der entstehenden Bearbeitungs temperatur zwischen Werkzeug und Werkstück während der Bearbeitung kann beispielsweise von Bedeutung sein, um Überhitzungen des Werkzeugs oder des Werkstücks vermeiden bzw. kontrollieren zu können. Insbesondere durch eine Überwachung der Temperaturen im Kontaktbereich lassen sich Rückschlüsse auf den Schleifvorgang ziehen.

Aus der japanischen Patentanmeldung 6 246 632 ist eine Schleifvorrichtung mit einem rotierenden Schleifwerkzeug beschrieben. Eine Temperaturaufnahme einrichtung in Form eines Thermoelements ist an der Oberfläche des zu bearbeiten den Werkstücks befestigt. Die Messung mittels des Thermoelements erfolgt außerhalb des Kontaktbereichs zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, so daß keine genaue Angabe über die Temperatur im Kontaktbereich gemacht werden kann.

Aus der weiteren japanischen Patentanmeldung 4 035 865 ist ein rotierbares Schleifrad bekannt, an dessen Schleifbelag ein Thermoelement angeordnet ist. Bei dieser Anordnung des Thermoelements ist keine direkte Messung der Temperatur im Kontaktbereich zwischen dem Schleifrad und dem zu bearbeitenden Werkstück möglich. Vielmehr muß aufgrund der innerhalb des Schleifbelags des Schleifrades gemessenen Temperatur mittels einer Berechnung auf die Temperatur im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück geschlossen werden. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist es, daß Ungenauigkeiten bei der Temperaturbestimmung auftreten. Aufgrund des Abriebs des Schleifbelags variiert während des Schleifvorgangs der Abstand zwischen dem Kontaktbereich zwischen Werkstück und Werkzeug und dem Thermoelement, so daß Fehler bei der Bestimmung der Temperatur auftreten. Ferner besteht die Gefahr, daß nach einem Abrieb des Schleifbelages das Thermoelement zerstört wird.

Aus der U.S. Patentschrift 4,438,598 ist eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück bekannt. Bei diesem bekannten Sensor ist eine optische Faser innerhalb einer Ausnehmung in einer rotierenden Schleifscheibe angeordnet und erstreckt sich ausgehend von einer Bearbeitungsoberfläche der Schleifscheibe zunächst radial einwärts in Richtung auf eine zentrale Achse der Schleifscheibe und dann parallel zur Zentralachse an eine stirnseitige Oberfläche der Schleifscheibe. Mittels der optischen Faser, beispiels weise einem Glasfaserkabel, wird im Bereich der Bearbeitungsoberfläche ausgesen dete Wärmestrahlung zu einem benachbart zu der Schleifscheibe angeordneten Auf nahmekopf übertragen, der von der Bearbeitungsoberfläche emittierte Wärmestrah lung aufnimmt und zu einer Temperaturüberwachungseinheit übermittelt. Diese Sensorvorrichtung ist insgesamt recht aufwendig und das verwendete Meßprinzip einer Temperaturbestimmung aufgrund von Wärmestrahlung ist bei der vorliegenden Meßaufgabe durch die Bearbeitungsumgebung verhältnismäßig ungenau. Nachteilig ist darüber hinaus, daß die Messung eine unmittelbar benachbarte Anordnung des freien Endes der Faser und des Aufnahmekopfes voraussetzt.

Aus der Patentschrift DD 112 377 ist ein Sensor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Thermoelement mit zwei elektrischen Leitern an einer Stirnfläche einer rotierenden Schleifscheibe angeordnet ist. Die beiden als Thermoschenkel bezeichneten Leiter des Thermoelements sind seitlich neben der Bearbeitungs oberfläche oder dem Kontaktbereich zwischen Schleifscheibe und Werkstück in Kontakt mit dem Werkstück und nehmen somit eine Temperatur des Werkstücks neben dem Kontaktbereich auf. Bei dieser Anordnung wird eine Temperatur im Bereich neben der eigentlichen Schleifstelle aufgenommen, so daß ausgehend von dieser Temperatur eine Abschätzung der Temperatur im Kontaktbereich vor genommen werden muß. Diese Vorgehensweise ist mit erheblichen Fehlern behaftet, die beispielsweise dadurch verursacht sind, daß zur Berechnung Wärmeleitungseffekte zugrunde gelegt werden müssen und eine regelmäßig verwendete Kühlflüssigkeit die Temperaturbestimmung negativ beeinflussen kann. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß das Thermoelement aufgrund von Fliehkräften bei sehr hohen Drehzahlen der Schleifscheibe von der Schleifscheibe abgelöst wird. Zudem beschränkt sich diese Meßanordnung auf die Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke. Ferner ermöglicht dieser Sensor nur eine Bearbeitungsrichtung der Schleifscheibe, so daß er in Bewegungsrichtung der Schleifscheibe hinten angeordnet ist; andernfalls würde der Sensor durch ein Abschleifen zerstört werden. Auch ist ein sogenanntes Einstechschleifen mit diesem Sensor nicht möglich, da er während des Einstechens in ein Werkstück ebenfalls zerstört werden würde.

Aus der US 1,907,540 ist ein aus zwei Platten aus verschiedenen Metallen bestehender Temperatursensor bekannt, der zur Bestimmung der Temperatur im Kontaktbereich an einer Bremse eines Zuges dient.

Aus der DE 35 02 053 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung der Temperatur in der Kontaktzone zwischen zwei in Kontakt stehenden und relativ zueinander bewegbaren Teilen einer Reibungskuppelung bekannt, der einen Verschleißsignalgeber aufweist, der als Messglied für die Temperatur des Kupplungsbelages ausgebildet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor bereitzustellen, mit dem auf konstruktiv einfache Weise die Temperatur in der Kontaktzone zwischen zwei relativ zueinander bewegbarer Körpern, insbesondere eines Werkzeugs mit hoher Präzision bestimmt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Sensor der eingangs genannten Art dadurch, daß das Thermoelement innerhalb eines der beiden Körper angeordnet ist, die Leiter dicht beabstandet zueinander angeordnet sind, sich ausgehend von der Kontaktfläche des Körpers in den Körper hineinerstrecken und sich in Betrieb durch Reibwärme in der Kontaktzone zwischen den Körpern neu kontaktieren und/oder wiederverschweißen.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch die Anordnung der Leiter der Thermoelemente innerhalb eines Körpers, insbesondere eines Werkzeugs und im Bereich der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs eine Bestimmung der Temperatur im Bereich der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs oder im Kontaktbereich zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück möglich ist, also dort, wo der eigentliche Bearbeitungsvorgang stattfindet. Auf diese Weise läßt sich eine exakte Temperaturbestimmung realisieren. Dadurch, daß sich die beabstandeten Leiter ausgehend von einer Bearbeitungsoberfläche in das Werkstück hineinerstrecken und durch die Reibwärme ständig sich aufs Neue verschweißen bzw. neu kontaktieren, ist gewährleistet, daß auch während des Verschleißes des Werkzeugs stets die Temperatur im Bereich der Bearbeitungsoberfläche bestimmt werden kann. Hierdurch kann eine Messung während der gesamten Lebensdauer einer Schleifscheibe vorgenommen werden. Während des Abriebs der Schleif scheibe im Bereich der Bearbeitungsoberfläche werden auch die Leiter des Thermoelements abgerieben. Dennoch ist aufgrund der dicht beabstandeten Anordnung der Leiter zueinander ein ausreichenden elektrischer Kontakt zwischen den beiden Leitern hergestellt. Während des Schleifens kommt es an den End abschnitten der Leiter im Kontaktbereich zu einer Neukontaktierung durch einen wärme- und reibungsinduzierten Verschmiereffekt der beteiligten Thermoelement werkstoffe; insgesamt ist stets ein ausreichender Kontakt zur Herstellung der Thermo-Spannung gewährleistet, wie Versuche gezeigt haben. Es entsteht im Kon taktbereich der Leiter eine Art Schleifkontakt aufgrund des Schleifprozesses.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Thermoelements in der Schleifscheibe kann die vornehmlich interessierende Ist-Temperatur im Kontaktbereich zuverlässig auch bei extremen dynamischen Belastungen des Werkzeugs und somit des Sensors, beispielsweise aufgrund von extremen Drehzahlen, realisiert werden, so daß prozeßnahe Daten zur Regelung des gesamten Bearbeitungsprozesses bereitgestellt werden können. Zu hohe Temperaturen im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück können ebenso wie unerwünschte Gefügeänderungen im Werkstück oder Werkzeug oder zu hohe Belastungen des Werkzeugs oder Werkstücks vermieden werden. Der Sensor kann auch bei einer Fahrzeugbremse oder einer (Rutsch-)Kupplung verwendet werden, um die Temperatur in der Kontaktzone zwischen einer Bremstrommel und einer Bremsbacke bzw. mehreren Kupplungselementen zu bestimmen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors zeichnet sich dadurch aus, daß die Leiter des Thermoelements parallel zueinander angeordnet sind und sich im wesentlichen senkrecht zu der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks erstrecken. Durch diese Anordnung ist während eines fortschreitenden Verschleißes des Werkstücks während der gesamten Lebensdauer stets eine exakte Temperaturbestimmung gewährleistet.

Gemäß einer alternativen besonders bevorzugten Variante der Erfindung sind die Leiter des Thermoelements als dünne Schichten ausgebildet. Vorzugsweise sind Schichtdicken eines Leiters im Nanometer- und Mikrometerbereich realisiert. Durch den Einsatz derartig dünner Schichten wird ein Thermoelement - vorzugsweise vom Typ K - erzeugt, welches an die besonderen Erfordernisse eines Werkzeugs angepaßt ist; insbesondere im Fall einer mit hohen Drehzahlen rotierenden Schleifscheibe und damit einhergehenden hohen Fliehkräften können dünne Schichten mit geringer Masse besonders vorteilhaft eingesetzt werden, da sich durch sie keine oder zu vernachlässigenden Unwuchten ergeben und die Schichten vollständig in das Werkzeug integriert und sicher an ihm befestigt werden können. Der erfindungsgemäße Sensor hält Temperaturspitzen im Bereich der Bearbeitungs oberfläche von bis zu ca. 1200°C und Rotationsbeschleunigungen von über 60.000 m/s² stand.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Ausführungsform mit dünnen Schichten ist vorgesehen, daß die die Leiter bildenden Schichten durch eine Isolierschicht voneinander getrennt sind. Ein durch eine Dünnschichttechnik erzeugtes Thermoele ment läßt sich auf einfache Weise herstellen. Die dünne Isolierschicht zwischen den Leitern ist so dimensioniert, daß während des Betriebs, etwa einer mit einem erfindungsgemäßen Sensor versehenen Schleifscheibe, stets ein ausreichender Thermokontakt der beiden Leiter im Bereich der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs gewährleistet. Die Isolierschicht gewährleistet während des Betriebs stets eine zuverlässige elektrische Isolierung und weist gleichzeitig einen geringen mechanischen Widerstand im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück während des Schleifeingriffs auf und ermöglicht stets ein ausreichendes Ver schmieren bzw. eine Neukontaktierung der beiden Leiter des Thermoelements. In zweckmäßiger Weise wird der aus den beiden Leitern und der Islolierschicht bestehende Schichtverbund von einer weiteren Isolierung, etwa in Form einer dünnen Isolierschicht, die auf die beiden dünnen Leiter-Schichten aufgebracht ist, zusätzlich isoliert, um unerwünschte elektrische Einflüsse der Umgebung des Thermoelements des Sensors zu vermeiden.

Eine bevorzugte Weiterbildung der zuvor beschriebenen Ausführungsform sieht vor, daß die Isolierschicht aus SiO₂ oder Si₃N4, der erste Leiter im wesentlichen aus Ni und der weitere Leiter im wesentlichen aus Ni-Cr besteht. Die Leiter können ebenfalls in bevorzugter Weise aus Chromel bzw. Alumel bestehen. Derartige Materialen weisen die für die Meßaufgabe erforderlichen Materialeigenschaften wie elektrische Leit- bzw. Isolierfähigkeit und mechanische Festigkeit auf und lassen sich durch Dünnschichttechnologie verhältnismäßig einfach herstellen und verarbeiten, um beispielsweise ein Standard-Thermopaar vom Typ K zu erzeugen, das zudem den erforderlichen Meßbereich von bis zu 1.200°C abdeckt.

In ebenfalls bevorzugter Weise ist das Thermoelement an einem Träger befestigt, bei dem es sich in besonders zweckmäßiger Weise um eine Siliziumscheibe (Wafer) handeln kann. Gemäß einer Weiterbildung sind die den Leiter bildenden Schichten und die Isolierschicht durch Dünnschichttechnik auf den Träger aufgebracht, so daß die bevorzugten dünnen Schichtdicken auf herstellungtechnisch einfache Weise realisiert werden können. Der Träger, der auch als Substrat bezeichnet wird, sorgt für eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Aufnahme der aufzutragenden dünnen Schichten und kann beispielsweise als einkristalline Siliziumscheibe ausgebildet sein mit einer Dicke von 0,5 mm bis 1 mm ausgebildet sein. Die Dünnschichttechnologie umfaßt in bekannter Weise die sogenannte physical vapour deposition (PVD), die chemical vapour deposition (CVD) sowie galvanotechnische Abscheidetechniken.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Werkzeug als rotationssymetrischer Körper ausgebildet ist und die Leiter des Thermoelements sich in radialer Richtung innerhalb des Werkzeugs erstrecken. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß das Werkzeug einen aus mehreren Segmenten bestehenden Belag aufweist und das Thermoelement zwischen zwei Segmenten des Belags des Werkzeugs angeordnet ist. Der besonders hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzte Belag besteht zweckmäßigerweise aus einem keramischen Werkstoff, während der Kern des Werkzeugs aus einem Metall besteht. Durch die Anordnung des erfindungsgemäßen Thermoelements zwischen zwei Segmenten ist eine verhältnismäßig einfache Integration des Sensors in das Gesamtsystem möglich.

Ein Sensor zur Bestimmung des Verschleißes eines Werkzeugs, insbesondere einer Schleifscheibe zeichnet sich gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung dadurch aus, daß ein erster an oder in dem Werkzeug angeordneter Temperaturaufnehmer vorgesehen ist, dessen Temperaturaufnahmeabschnitt in einem ersten ggf. gegen Null gehenden Abstand von einer Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs angeordnet ist und daß wenigstens ein weiterer an oder in dem Werkzeug angeordneter Temperaturaufnehmer vorgesehen ist, dessen Temperaturaufnahme abschnitt in einem zweiten von dem ersten Abstand abweichenden Abstand von der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs angeordnet ist.

Zur Bestimmung des Verschleißes eines Körpers wie einer rotierenden Schleif scheibe oder einem Teil einer Fahrzeugbremse kann ein derartiger Sensor angesetzt werden. Wird zunächst der erste Temperaturaufnehmer, dessen Temperaturaufnahmeabschnitt im Bereich der Bearbeitungsoberfläche angeordnet ist, teilweise abgerieben durch den Schleifeingriff und kommt dann der weitere in dem Werkzeug oder Körper angeordnete Temperaturaufnehmer in den Bereich der Bearbeitungs oberfläche, so wird dessen aufgenommene Temperatur aufgrund der Reibung stark ansteigen, und durch die Aufnahme dieses Temperaturanstiegs kann ein Rückschluß gezogen werden auf den Abrieb oder Verschleiß des Belags.

In besonders bevorzugter Weise sind der erste und zweite Temperaturaufnehmer als erfindungsgemäßer Sensor der zuvor beschriebenen Art ausgebildet. So ist es besonders bevorzugt, wenn beide Sensoren als Thermoelemente in Dünnschicht technologie ausgebildet sind, wobei einer der beiden Sensoren zum Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme des Werkzeugs mit seinem Temperaturaufnahmeabschnitt im Bereich der Bearbeitungsoberfläche angeordnet ist, während der zweite Sensor mit seinem Temperaturaufnahmeabschnitt innerhalb des Werkzeugs angeordnet ist. Durch Abrieb des Belags und damit auch des ersten Sensors wird der zweite Sensor mit dessen Temperaturaufnahmeabschnitt in dem Bereich der Bearbeitungsober fläche somit in den Kontaktbereich gelangen und dann seinerseits durch eine Kontaktierung der beiden Leiter des Thermoelements eine Thermo-Spannung erzeugen, die einerseits als Maß für die Temperatur im Kontaktbereich und andererseits als Indikator für einen bestimmten Verschleiß des Belags ausgewertet werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein mit einem Sensor gemäß der Erfindung ausgestatteten Werkzeug in Form einer Schleifscheibe mit einem mehrere Segmente aufweisen den Belag in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines weiteren Sensors gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht des Sensors aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eine weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors gemäß der Erfindung mit zwei Temperaturaufnehmern.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Werkzeug in Form einer rotationssymmetrischen Schleifscheibe 2, die mit einem Sensor 4 ausgestattet ist. Anstelle einer Schleifscheibe kann ein anderer Körper, etwa eine rotierende Bremsbacke einer Fahrzeugbremse mit einem Sensor 4 ausgestattet sein. Die um eine Achse 6 mit hohen Drehzahlen rotierbare Schleifscheibe 2 ist mittels einer zentralen Durchgangsbohrung 8 z. B. über einen Flansch an einer nicht dargestellten Antriebsspindel einer Werkzeugmaschine befestigbar.

Die Schleifscheibe 2 weist einen im wesentlichen kreisscheibenförmigen Kern 10 vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff sowie einen aus mehreren Segmenten 12 bestehenden Schleif-Belag 14 auf, der mit dem Kern 10 verbunden ist. Der Sensor 4, der im linken Abschnitt von Fig. 1 mit seinen wesentlichen einzelnen Komponenten zusammen mit einem Segment 12 des Belags 14 isoliert dargestellt ist, ist zwischen zwei benachbarten Segmenten 12 innerhalb der Schleifscheibe 2, genauer gesagt innerhalb des Belags 14 der Schleifscheibe 2 angeordnet. In nicht dargestellter Weise kann der Sensor 4 auch innerhalb eines einstückig ausgebildeten Belags 14 angeordnet sein. Auch können mehrere Sensoren 4 zwischen benachbarten Segmenten 12 oder in einem einstückig ausgebildeten Belag 14 angeordnet sein.

Wie aus dem linken Abschnitt von Fig. 1 erkennbar ist, weist der Sensor 4 zwei ein Thermoelement bildende Leiter in Form von parallel zueinander angeordneten dünnen Thermoelement-Schichten 16 und 18 auf, die durch eine elektrisch isolierende Isolierschicht 20 voneinander getrennt sind. Die erste Thermoelement- Schicht 16 und die zweite Thermoelement-Schicht 18 sowie die Isolierschicht 20 weisen Dicken im Nanometer- und Mikrometerbereich auf - je nach Anwendungsfall - und erstrecken sich im wesentlichen in axialer und radialer Richtung bezogen auf die Achse 6. Die den ersten Leiter bildende Schicht 16 besteht im wesentlichen aus Ni oder einer Ni-Legierung (z. B. Alumel), die zweite Schicht 18 aus Ni-Cr oder beispielsweise Chromel und die Isolierschicht aus beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄, so daß ein Thermoelement vom Typ K realisiert ist. Es können auch andere Werkstoffe zur Verwirklichung des Thermoelements zur Erzeugung einer elek trischen Spannung im Kontaktbereich der Leiter vorgesehen sein.

Die elektrische Spannung ist proportional zu der Temperatur im Kontaktbereich und wird mittels einer nicht dargestellten elektrischen und gegebenenfalls elektronischen Auswerteeinrichtung zur Berechnung der Temperatur ausgewertet. Hierzu sind die elektrisch leitenden Schichten 16 und 18 in nicht dargestellter Weise mit Leitungen verbunden, die vom dargestellten Sensor 4 zu der Auswerteeinrichtung führen. Der Kontaktbereich beider Schichten 16 und 18 liegt an der die Bearbeitungsoberfläche bildenden Mantelfläche des Belags 14 der Schleifscheibe 2. Die beiden Schichten 16, 18 sind dicht beabstandet zueinander angeordnet und erstrecken ausgehend von der Bearbeitungsoberfläche der Schleifscheibe in die Schleifscheibe so hinein, daß die elektrische Thermo-Spannung während der Bearbeitung eine - nicht dargestellten Werkstücks - erzeugt wird und auch während eines Abriebs des Belags 14 der Schleifscheibe 2 erzeugt wird, wie unten näher erläutert ist.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen ein alternatives Ausführungsbeispiel des Sensors 4, das sich von dem zuvor anhand der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß das durch die Schichten 16 und 18 und die Isolierschicht 20 gebildete Thermoelement an einem Träger (Substrat) 22 in Form einer Siliziumscheibe befestigt sind. Der Träger 22 nach Art eines Wafers ist mit einer porösen Schicht 24 aus Silizium versehen, die zur Herstellung einer guten Haftung oder mechanischen Verklammerung mit den Segmenten 12 des Belags 14 dient. Gegenüber von der Schicht 24 ist auf den Träger 22 eine Passivierungs-Schicht 26 aus SiO₂ aufgebracht. Die erste den einen Leiter des Thermoelements bildende Schicht 16 ist auf die Passivierungs-Schicht 26 aufgetragen. Eine Isolierschicht 20 aus SiO₂ ist auf die Schicht 16 aufgebracht, während die zweite, den weiteren Leiter des Thermoelements bildende Schicht 18 auf die Isolierschicht 20 aufgetragen ist. Auf die Schicht 18 ist schließlich eine isolierende Passivierungs-Schicht 28 aus SiO₂ aufgebracht. Der in Fig. 4 dargestellte Sensor weist eine Gesamtdicke von etwa 400 Mikrometern auf. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors erfolgt im Wege der sogenannten Dünnschicht technologie, welche die sogenannte physical vapour deposition (PVD), chemical vapour deposition (CVD) und die galvanische Abscheidetechnik umfaßt.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 dargestellten Sensor 4 in einer Ansicht von links, die in Fig. 2 durch A gekennzeichnet ist. Die Breite B des Sensors 4 kann im Bereich der Schleifscheibenbreite zwischen etwa 4 mm und 20 mm und die Höhe C etwa zwischen 5 mm und 10 mm variieren. Durch ein Ätzverfahren oder ein Lift-Off- Verfahren sind zwei elektrische Anschlüsse 30 und 32 ausgebildet, an denen zur Auswerteeinrichtung führende Leitungen anliegen. Der Anschluß 30 ist Teil der den ersten Leiter des Thermoelements bildenden Schicht 16, während der Anschluß 32 Teil des den zweiten Leiter bildenden Schicht 18 des Thermoelements 4 ist. Die Anschlüsse 32 sind in der Ansicht gemäß Fig. 3 etwa quadratisch ausgebildet und können eine Kantenlänge zwischen etwa 150 bis 1000 Mikrometer aufweisen. Während des Schleifeingriffs ist der Sensor 4 mit seiner Oberfläche 34, die Teil der Bearbeitungsoberfläche der Schleifscheibe 2 ist, mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Eingriff.

Fig. 4 veranschaulicht ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Sensor-Vorrichtung gemäß der Erfindung, die zur Bestimmung des Verschleißes eines Werkzeugs dient, bei dem es sich um eine Achse 6 rotierbare Schleifscheibe 2 handelt, die einen vorzugsweise metallischen Kern 10 und einen keramischen Belag 14 aufweist, der in nicht dargestellter Weise mit seiner Oberfläche mit einem Werkstück im Schleifeingriff ist. Ein erster Sensor 4 der zuvor anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Art als Temperaturaufnehmer ist so innerhalb des Belags 14 der Schleifscheibe 2 angeordnet, daß der Temperaturaufnahmeabschnitt, d. h. der Kontaktbereich der beiden Schichten 16, 18 (vgl. Fig. 1 bis 3) im Bereich der Bearbeitungsoberfläche, d. h. der Mantelfläche des Belags 14 angeordnet ist. Ein weiterer Sensor 4' ist als weiterer Temperaturaufnehmer so innerhalb des Belags 14 der Schleifscheibe 2 angeordnet, daß dessen radial äußerer Temperaturauf nahmeabschnitt, d. h. der Kontaktbereich der beiden Schichten 16 und 18, beabstandet von der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs, d. h. der äußeren Mantelfläche des Belags 14 angeordnet ist.

Der Temperaturaufnahmeabschnitt des weiteren Sensors 4' würde erst dann aktiviert werden, wenn der Belag 14 soweit abgerieben ist, daß das zu bearbeitende Werkstück mit den radialen Endabschnitten der Schichten 16 und 18 in Berührung kommt und es zu einer Kontaktierung der beiden Schichten 16 und 18 kommt, so daß eine Thermo-Spannung erzeugt wird. Mit Hilfe einer derartigen Sensor- Vorrichtung ist es möglich, den Abrieb des Belags der Schleifscheibe 2 zu ermitteln. Sobald der Sensor 4' aktiviert ist, wird eine Thermo-Spannung erzeugt, die signalisiert, daß der Belag 14 um den Betrag des Abstands der äußeren End abschnitte der Schichten 16 und 18 von der ursprünglichen äußeren Mantelfläche des Belags 14 abgerieben ist.

Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sensors ist wie folgt:
Zur Bearbeitung eines Werkstücks wird die rotierende Schleifscheibe 2, mit ihrem Belag 14 in Kontakt mit dem Werkstück gebracht. Die Oberfläche 34 (siehe Fig. 2 und 3) des Sensors 4 kommt intermittierend mit dem Werkstück in Kontakt und wird dabei zusammen mit dem Belag 14 der Schleifscheibe 2 abgerieben. Durch den Schleifeingriff tritt ein Verschmiereffekt im Bereich der Oberfläche 34 auf, der für eine Kontaktierung der beiden Schichten 16, 18 sorgt, so daß eine thermoelek trische Spannung zwischen den beiden Schichten 16 und 18 erzeugt wird, die mittels der beiden Anschlüsse 30, 32 (vgl. Fig. 3) des Sensors 4 mittels Leitungen zu einer Auswerteeinrichtung übertragen werden. Die Thermo-Spannung ist ein Maß für die Temperatur im Bereich der Bearbeitungsoberfläche der Schleifscheibe 2.

Bezugszeichenliste

2

Schleifscheibe (Werkzeug; Körper)

4

Sensor

6

Achse

8

Bohrung

10

Kern

12

Segmente

14

Schleif-Belag

16

erste Thermoelement-Schicht

18

zweite Thermoelement-Schicht

20

Isolierschicht

22

Träger

24

Schicht

26

Passivierungsschicht

28

Passivierungsschicht

30

Anschlüsse

32

Anschlüsse

34

Oberfläche

Claims

1. Sensor zur Bestimmung der Temperatur in der Kontaktzone zwischen zwei in Kontakt stehenden und relativ zueinander bewegbaren Körpern, insbesondere der Kontaktzone zwischen einer Schleifscheibe (2) und einem Werkstück beim Schleifen, mit einem zwei elektrische Leiter aufweisenden Thermoelement zur Erzeugung einer der zu bestimmenden Temperatur entsprechenden elektrischen Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement innerhalb eines der beiden Körper angeordnet ist, die Leiter dicht beabstandet zueinander angeordnet sind, sich ausgehend von der Kontaktfläche des Körpers in den Körper hineinerstrecken und sich in Betrieb durch Reibwärme in der Kontaktzone zwischen den Körpern neu kon taktieren und/oder wiederverschweißen.

2. Sensor nach Anspruch 1 für ein Werkzeug wie eine Schleifscheibe (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement innerhalb des Werkzeugs angeordnet ist, die Leiter dicht beabstandet zueinander angeordnet sind, sich ausgehend von der Kontaktfläche des Werkzeugs in das Werkzeug hineinerstrecken und sich in Betrieb durch Reibwärme in der Kontaktzone zwischen dem Werkzeug und einem Werkstück neu kontaktieren und/oder wiederverschweißen.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter des Thermoelements parallel zueinander angeordnet sind und sich im wesentlichen senkrecht zu der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks erstrecken.

4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter des Thermoelements als dünne Schichten (16, 18,) ausgebildet sind.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leiter bildenden Thermoelement-Schichten (16, 18) durch eine Isolierschicht (20) voneinander getrennt sind.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (20) aus SiO₂ oder Si₃N₄, der erste Leiter (16) im wesentlichen aus Ni und der zweite Leiter (18) im wesentlichen aus Ni- Cr besteht.

7. Sensor nach mindestens einer der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement an einem Träger (22) befestigt ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (22) aus einer Siliziumscheibe besteht.

9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leiter bildenden Schichten (16, 18) und die Isolierschicht (20) durch Dünnschichtechnik auf den Träger (22) aufgebracht sind.

10. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug einen aus mehreren Segmenten (12) bestehenden Belag (14) aufweist und das Thermoelement zwischen zwei Segmenten (12) des Belags (14) des Werkzeugs angeordnet ist.

11. Werkzeug, insbesondere Schleifscheibe, gekennzeichnet durch einen Sensor (4) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche.

12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es einen metallischen Kern (10) und einen äußeren, aus mehreren Segmenten (12) bestehenden Belag (14) aufweist und daß das Thermoele ment zwischen zwei Segmenten (12) des Werkzeugs angeordnet ist.

13. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Temperatur im Kontaktbereich einer Fahrzeugbremse.

14. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Temperatur im Kontaktbereich einer Kupplung, insbesondere einer Rutschkupplung.