EP1899699A1

EP1899699A1 - Drucksensor

Info

Publication number: EP1899699A1
Application number: EP05753196A
Authority: EP
Inventors: Stefan Schmitt-Walter; Lutz Seffner; Sylvia Gebhardt; Andreas SCHÖNECKER; Bent BRÜCKNER; Thomas RÖDIG
Original assignee: Swac Schmitt-Walter Automation Consult GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Swac Schmitt-Walter Automation Consult GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2008-03-19
Also published as: WO2006136182A1; US8297133B2; JP5040008B2; US20100011884A1; JP2008544262A

Abstract

Ein Drucksensor weist eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel zu einer Kraft- oder Druckaufnahmerichtung angeordnete, piezoelektrische Wandlerelemente auf. Diese können als Fasern, Stäbchen, Platten oder dergleichen sowie auch als Dick- oder Dünnschicht ausgebildet sein. Bei Wandlerelementen als Fasern, Stäbchen oder Platten sind diese mittels eines Isoliermaterials voneinander beabstandet angeordnet und/oder zumindest teilweise in diesem eingebettet. Um einen solchen Drucksensor dahingehend zu verbessern, dass dieser auch für hohe Drücke, für eine lange Lebensdauer und für verschiedene mechanische Anwendungen einsetzbar ist, ist wenigstens einer Anzahl der piezoelektrischen Wandlerelemente ein Abstützmaterial mit insbesondere in Kraft- oder Druckaufnahmerichtung im Vergleich zu den Wandlerelementen höheren mechanischen Steifigkeit zugeordnet, beziehungsweise wird das piezoelektrische Wandlerelement als Schicht auf einen Stützkörper aus diesem Abstützmaterial aufgebracht und elektrisch beispielsweise durch eine zwischen Wandlerelementschicht und Stützkörper angeordnete Unterelektrode und eine auf einer Außenseite der Wandlerelementschicht aufgebrachte Deckelektrode kontaktiert.

Description

DRUCKSENSOR

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 16.

Heutzutage werden Drücke z.B. mit Dehnungsmessstreifen an Materialien wie Metall oder dergleichen gemessen. Auch Piezoquarze kommen aufgrund ihrer hohen Druckstabilität zum Einsatz.

In letzter Zeit wurden außerdem Drucksensoren der eingangs genannten Art eingesetzt, die z.B. als Fingerabdrucksensoren verwendet werden. Die Vielzahl der Piezoelektrischen Wandlerelemente sind im Wesentlichen jeweils stabförmig und beabstandet sowie parallel zueinander angeordnet. Die Wandlerelemente sind in einem Isoliermaterial eingebettet, wobei freie Enden der Wandlerelemente elektrisch kontaktiert sind. Die Kontak- tierung erfolgt in diesem Zusammenhang in der Regel in der Weise, dass jedes Wandlerelement separat elektrisch abfragbar ist, so dass sich eine Auflösung der Druck- oder Kraftausübung durch den entsprechenden Drucksensor in einer Größenordnung von 500 oder mehr dpi (dots per inch) ergibt.

Die entsprechenden piezoelektrischen Wandlerelemente generieren dabei eine Oberflächenladung durch den entsprechenden piezoelektrischen Effekt, wobei zwischen Ladungsmenge und Deformation des Wandlerelements im Wesentlichen ein linearer Zusammenhang besteht.

Ein solcher vorbekannter Drucksensor ist zwar gut als Fingerabdrucksensor geeignet, zeigt allerdings eine geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Drücken, beziehungsweise eine zu geringe Standfestigkeit in der Lebensdauer, um einen Einsatz in hochpräzisen mechanischen Anwendungen mit hohen Drücken und für eine lange Zeit zu ermöglichen. Würde ein solcher Drucksensor beispielsweise in einem Lager eingesetzt, welches mit hohem Vorspannungsdruck exakt geführt wird, würde sein Schwund zur Aufhebung der Vorspannkräfte bis hin zur absoluten, freien Beweglichkeit der mechanischen Komponenten dienen, so dass dieser vorbekannte Sensor für einen solchen Zweck überhaupt nicht einsetzbar ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass dieser auch für hohe Drücke, für eine lange Lebensdauer und für verschiedene mechanische Anwendungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 16 gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt nach Patentanspruch 1 nicht nur eine Anordnung von Isoliermaterial beispielsweise zwischen den piezoelektrischen Wandlerelementen, um diese beabstandet voneinander anzuordnen, sondern es wird zumindest einer Anzahl der Wandlerelemente zusätzlich ein Abstützmaterial zugeordnet, welches insbesondere in Druck- oder Kraftaufnahmerichtung eine im Vergleich zum Wandlerelement höhere mechanische Steifigkeit aufweist. Bei dem Gegenstand nach Patentanspruch 16 erfolgt analog eine Zuordnung zumindest einer Wandlerelementschicht zu einem Stützkörper aus dem Abstützmaterial.

Dadurch wird verhindert, dass sich das entsprechende Wandlerelement bei Einwirkung einer höheren mechanischen Last zu stark deformiert, so dass der entsprechende Drucksensor eine höhere Widerstandsfähigkeit auch gegenüber hohen Drücken aufweist. Durch das Abstützmaterial wird außerdem die Lebensdauer des Drucksensors erhöht und ein entsprechender Schwund bei Einsatz unter hohem Vorspanndruck wei- testgehend verhindert.

Die entsprechenden Wandlerelemente können kreisförmigen, viereckigen, insbesondere quadratischen, einen ovalen oder auch anderen Querschnitt aufweisen. Die entsprechenden Wandlerelemente können nebeneinander angeordnet sein, wobei ihre Verteilung gleichmäßig oder auch je nach Erfordernis ungleichmäßig sein kann. So können beispielsweise auch Bereiche mit Wandlerelementen in höherer Dichte als in anderen Bereichen vorgesehen sein.

Um die entsprechenden Wandlerelemente in einfacher Weise nebeneinander anordnen zu können, kann eine matrixförmige Anordnung bevorzugt sein. Diese kann aus verschiedenen Reihen und Spalten von Wandlerelementen gebildet sein. Als Isoliermaterial sind verschiedene isolierende Werkstoffe denkbar, wobei solche Werkstoffe Polymermaterial, Glas oder auch Verbundsysteme, wie auf das Stützmaterial aufgesinterte Schichten sein können, welches Isoliermaterial insbesondere bei matrix- förmiger Anordnung der Wandlerelemente als Matrixpolymer ausgebildet sein kann.

Um ein Abstützmaterial einer ausreichend hohen Steifigkeit zu haben, kann dieses ein Keramikmaterial oder ein Hartmetall sein. Als ein solches Keramikmaterial kann beispielsweise Aluminiumoxid oder-nitrid eingesetzt werden.

Die elektrische Kontaktierung der entsprechenden Wandlerelemente hängt ab von der gewünschten Auflösung des Drucksensors. Theoretisch kann die Auflösung ähnlich wie bei einem Fingerabdrucksensor einige 100 dpi (dots per inch) betragen, wobei ein entsprechender Abstand zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandlerelementen in diesem Zusammenhang einige 10 μm beträgt. Bei einer geringeren Auflösung besteht ebenfalls die Möglichkeit, Wandlerelemente zur Bestimmung der entsprechenden Oberflächenladungen an oberer und unterer Seite gruppenweise oder alle Wandlerelemente zusammen zu kontaktieren.

Die Kontaktierung kann in diesem Zusammenhang über die entsprechenden Endflächen der Wandlerelemente erfolgen, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung erstrecken.

Eine Art einer solchen elektrischen Kontaktierung kann bevorzugt als elektrisch leitfähige Beschichtung in Form von Leiterbahnen ausgebildet sein. Diese elektrisch leitfähige Be- schichtung besteht aus einem Metall wie Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine solche elektrische Kontaktierung auch als auftragbarer, elektrisch leitfähige Partikel enthaltener Werkstoff (Leitpaste) ausgebildet sein.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Wandlerelemente mit dem entsprechenden Abstützmaterial zu kombinieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Abstützmaterial eine Anzahl von jeweils ein im Wesentlichen stabförmiges Wandlerelement in einer Bohrung aufnehmende Abstütz- röhrchen auf. Diese weisen in der Regel eine mittige Bohrung auf, in die das entsprechende Wandlerelement eingesetzt ist. Dabei kann diese Bohrung an beiden Enden offen sein, um die Wandlerelemente über die Endflächen zu kontaktieren. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, das entsprechende Wandlerelement durch eine Wandung des Abstützröhrchens zu kontaktieren.

Eine weitere Möglichkeit kann darin gesehen werden, dass das Abstützmaterial eine Anzahl von jeweils ein im Wesentlichen rohrförmiges Wandlerelement in sich aufnehmende Abstützringe aufweist. Diese weisen eine gewisse Längserstreckung auf, die im Wesentlichen der Länge der Wandlerelemente entspricht, wobei diese in dem Ringspalt der Abstützringe angeordnet sind.

Ein solcher entsprechender Abstützring kann außerdem noch eine mittige Bohrung aufweisen. Gegebenenfalls ist auch in dieser mittigen Bohrung ein entsprechendes Wandlerelement in Stabform oder dergleichen angeordnet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Abstützmaterial kann sich dadurch auszeichnen, dass dieses eine Anzahl von jeweils ein im Wesentlichen plattenförmiges Wandlerelement zwischen sich aufnehmende Abstützplattenpaare aufweist. Die entsprechenden Abmessungen eines solchen Abstützplattenpaares sowie des Wandlerelements können in Längs- und Querrichtung gleich sein. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass das Wandlerelement insbesondere in Richtungen senkrecht zur Druck- beziehungsweise Kraftaufnahmerichtung sich über das Abstützmaterial in Plattenform hinaus erstreckt.

Zur vereinfachten Herstellung eines solchen entsprechenden Drucksensors können Wandlerelement und zugehöriges Abstützmaterial zusammen mit dem Isoliermaterial ein Verbundmaterial bilden. Solche Verbundmaterialien können z.B. an allen drucksensitiven Materialverbindungen eingesetzt werden, wie z.B. an Stahlkonstruktionen, die kraft- schlussgenaue Verbindungen erfordern. Diese werden heute meist in sehr ungenauer Näherung über das Anzugdrehmoment der Schraubverbindung überwacht. Dieses Drehmoment ist jedoch von der Reibzahl und der exakten Oberfläche unter der Schraubverbindung abhängig und kann über 20% streuen. Es besteht zwar auch die Möglichkeit, mittels der Längendehnung der Schraube die Materialverbindung zu überwachen, wobei einer solchen Methode allerdings meist konstruktive Probleme entgegenstehen, da oft nicht beide Enden einer solchen Schraube zur Messung freiliegen.

Erfindungsgemäß kann beispielsweise bei Drucksensoren in Scheiben- oder Unterlegscheibenform, eine solche Scheibe in der Konstruktion verbleiben. Solche Scheiben, insbesondere aus dem Verbundmaterial, sind kostengünstig herstellbar. Sie dienen beim Anziehen der exakten Auswertung der aufgebrachten Druckmomente und somit der exakten Messung des Kraftschlusses. Hierzu werden elektronische Auswertegeräte temporär über die elektrische Kontaktierung angeschlossen und nach der Messung von den entsprechenden Kontaktstellen getrennt. Diese können in vielfältiger Weise realisiert werden.

Um die Druckmessung zu optimieren, können alle Wandlerelemente uniaxial zusammen mit dem zugeordneten Abstützmaterial angeordnet sein.

Je nach Anordnung von Wandlerelementen und Abstützmaterial bestehen verschiedene Möglichkeiten, wie diese vom Isoliermaterial umgeben oder durch dieses verbunden sind. Bei einem Ausführungsbeispiel können Wandlerelemente und zugeordnetes Abstützmaterial mit dem Isoliermaterial vergossen sein. Dies gilt insbesondere für matrix- förmige Anordnungen von Wandlerelementen und Abstützmaterial.

Ein entsprechendes Isoliermaterial kann auch als Klebemittel zwischen Wandlerelemente und Abstützmaterial angeordnet sein, siehe die obigen Ausführungen beispielsweise im Zusammenhang mit plattenförmigem Abstützmaterial und plattenförmigem Wandlerelement. Ein Vergießen mit dem Isoliermaterial kann zusätzlich noch erfolgen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass das Abstützmaterial eine höhere mechanische Steifigkeit als das Wandlerelement aufweisen soll. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Elastizitätsmodul des Abstützmaterials größer als das Elastizitätsmodul des Wandlerelements und in der Regel auch des Isoliermaterials ist oder das Produkt aus Elastizitätsmodul und Fläche vom Abstützmaterial sehr viel größer als das Produkt aus Elastizitätsmodul und Fläche vom Wandlerelement ist.

Zur elektrischen Entkopplung der benachbarten Wandlerelemente kann außerdem als vorteilhaft angesehen werden, wenn ein entsprechender Isolationswiderstand des Abstützmaterials größer als der Isolationswiderstand des Wandlerelements ist.

Durch die Kontaktierung einzelner Wandlerelemente oder Gruppen von Wandlerelementen kann die Ortsauflösung der Druckmessung bestimmt werden. Um beispielsweise bei Belastung und einer mechanischen Verbindung feststellen zu können, ob Kipp- oder Torsionsmomente auftreten, kann der Drucksensor in einer Ebene senkrecht zur Kraftoder Druckaufnahmerichtung in Druckmesssektoren unterteilt sein.

Ist der entsprechende Drucksensor beispielsweise als Scheibe oder Unterlegscheibe ausgebildet, kann es in diesem Zusammenhang weiterhin von Vorteil sein, wenn die Druckmesssektoren kreissegmentförmig um eine zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung parallele Mittelachse des Drucksensors angeordnet sind. Dabei kann es weiterhin als günstig angesehen werden, wenn jeder dieser Druckmesssektoren sich über den gleichen Mittelpunktswinkel relativ zur Mittelachse erstreckt.

Es besteht zwar die Möglichkeit, dass im Prinzip jedem Wandlerelement Abstützmaterial mit spezifischer Form zugeordnet ist, siehe beispielsweise Ring und Rohr nach obigen Ausführungen. Allerdings besteht ebenso die Möglichkeit, dass das Abstützmaterial ein Vollmaterial ist, und eine Vielzahl entsprechender Aufnahmen für jeweils ein Wandlerelement mit gegebenenfalls zusätzlichem Isoliermaterial aufweist. In diesem Zusammenhang kann das Isoliermaterial eine Klebefunktion ausüben.

Um eine höhere Ladungsausbeute mittels der Wandlerelemente erzielen zu können, können diese aus einem ferroelektrischen Piezoelektrikum gebildet sein, wie beispielsweise Bleizirkonat-Bleititanat, Bariumtitanat oder dergleichen.

Statt eine Vielzahl von einzelnen piezoelektrischen Wandlerelementen aus Fasern, Stäbchen oder dergleichen zu verwenden, besteht erfindungsgemäß ebenfalls die Mög- lichkeit, zumindest ein piezoelektrisches Wandlerelement als Wandlerelementschicht auszubilden, die auf einem Stützkörper aus dem Abstützmaterial aufgebracht ist. Zur elektrischen Kontaktierung ist dabei eine Unterelektrode zwischen Wandlerelementschicht und Stützkörper sowie eine Deckelektrode auf einer vom Stützkörper fortweisenden Außenseite der Wandlerelementschicht angeordnet.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich die entsprechenden Vorteile, mit dem insbesondere in Kraft- oder Druckaufnahmerichtung mit im Vergleich zur Wandlerelementschicht höheren mechanischen Steifigkeit ausgebildeten Abstützmaterial.

Wird als Stützkörper ein Vollkörper verwendet, kann die entsprechende Wandlerelementschicht auf dessen Seitenfläche oder- flächen aufgebracht sein, wobei sich die Wandlerelementschicht nicht um den ganzen Stützkörper erstrecken muss. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Wandlerelementschicht in Umfangsrichtung des Stützkörpers nur an bestimmten Stellen auf dieser Außenseite aufgebracht ist, wobei die entsprechenden Unter- und Deckelektroden ebenfalls nur stellenweise ausgebildet sein können. Sowohl die Wandlerelementschicht als auch Unter- und Deckelektroden können als Dünn- oder auch Dickschicht ausgebildet sein.

Bei einem hohlen Stützkörper kann eine entsprechende Wandlerelementschicht mit E- lektroden auch alternativ oder zusammen mit einer entsprechenden Wandlerelementschicht auf der Außenseite auf einer Innenseite des Stützkörpers aufgebracht sein. Entsprechende Stützkörper können runden, ovalen oder eckigen, wie quadratisch oder rechteckigen oder auch vieleckigen Querschnitt aufweisen.

Um einen Kraft direkt auf die Wandlerelementschicht ausüben zu können, können sich diese bis zur Ober- und/oder Unterseite des entsprechenden Stützkörpers erstrecken. Dadurch liegt ein Ende oder liegen auch beide Enden der Wandlerelementschicht frei, so dass direkt auf diese freien Enden Druck oder eine Kraft ausgeübt werden kann.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die entsprechende Wandlerelementschicht auf der Außen- und/oder Innenseite der Stützkörper in einer Vertiefung angeordnet, so dass obere und untere Enden der Schicht vom Stützkörper überdeckt sind. Die Kontaktierung der Wandlerelementschicht erfolgt durch Unter- und Deckelektroden beispielsweise so, dass die Polungsrichtung senkrecht zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung ist, wobei dies bedeutet, dass die entsprechende Kontaktierung zwischen den Schichten parallel zu dieser Kraft- oder Druckaufnahmerichtung erfolgt.

Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors;

Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie H-Il aus Figur 1 ;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein piezoelektrisches Wandlerelement mit Abstützmaterial;

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein piezoelektrisches Wandlerelement mit Abstützmaterial;

Figur 5 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Wandlerelements mit Abstützmaterial;

Figur 6 ein Abstützmaterial als Vollmaterial;

Figur 7 eine Draufsicht analog zu Figur 1 auf einen ringförmigen, in Sektoren unterteilten Drucksensor;

Figur 8 eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, und

Figur 9 ein Schnitt entlang der Linie IX-IX aus Fig. 8. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen teilweise geschnittenen, scheibenförmigen Drucksensor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Oberseite des Drucksensors 1 ist mit einer elektrischen Kontaktierung für eine Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten Wandlerelementen 2 versehen. Jedem der Wandlerelemente 2 ist ein Abstützmaterial 7 zugeordnet. Wandlerelemente 2 und zugeordnetes Abstützmaterial 7 sind mittels eines Isoliermaterials 4 beabstandet zueinander angeordnet und mit dem Isoliermaterial 4 vergossen. Die elektrische Kontaktierung ist ebenfalls auf einer Unterseite des Drucksensors 1 ausgebildet, um durch die beiden elektrischen Kontaktierungen durch einen ausgeübten Druck oder eine ausgeübte Kraft mittels des piezoelektrischen Effekts generierte Oberflächenladungen von den entsprechenden piezoelektrischen Wandlerelementen 2 abzuleiten und in eine Information über den anliegenden Druck beziehungsweise die ausgeübte Kraft mittels einer entsprechenden Verarbeitungseinrichtung umzuwandeln. Eine Anzeigeeinrichtung für den gemessenen Druck beziehungsweise die gemessene Kraft ist zur Vereinfachung in Figur 1 nicht dargestellt.

Die entsprechenden Wandlerelemente sind bevorzugt aus einem ferroelektrischen Pie- zeoelektrikum, wie Bleizirkonat-Bleititanat, Bariumtitanat oder dergleichen. Das zugeordnete Abstützmaterial ist aus einem Keramikmaterial oder aus Hartmetall gebildet. Entsprechende Keramikmaterialien sind beispielsweise Aluminiumoxid oder -nitrid und dergleichen.

Das Isoliermaterial 4 ist ein Polymermaterial, das sowohl zum Vergießen der Wandlerelemente mit Abstützmaterial als auch zum Verbinden dieser beiden dient.

In Figur 2 ist ein Schnitt entlang der Linie ll-ll aus Figur 1 dargestellt. In dieser Figur und in allen übrigen Figuren sind gleiche Teile jeweils durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Figur 2 ist die Nebeneinanderanordnung einer Vielzahl von Wandlerelementen 2 erkennbar, die jeweils von dem entsprechenden Abstützmaterial 7 in Rohrform umgeben sind. Die Wandlerelemente 2 weisen eine Stabform auf, wobei sie einen runden, ovalen oder auch eckigen, insbesondere viereckigen Querschnitt aufweisen können. Obere und untere Enden 5, 6 der entsprechenden Wandlerelemente 2 sind an ihren Endflächen 8, 9 freiliegend und im Wesentlichen in Ebenen 15 senkrecht zu einer Druckbeziehungsweise Kraftaufnahmerichtung 3 angeordnet. In diesen Ebenen am oberen und unteren Ende der Wandlerelemente 2 werden diese mit einer elektrischen Kontaktie- rung verbunden, die beispielsweise aus einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus einem Metall wie Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium oder einem elektrisch leitfähige Metallteilchen enthaltenen Werkstoff, wie einer Leitpaste, gebildet sein kann. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 20 ist in Form von Leiterbahnen 21 aufgebracht. Die entsprechenden Leiterbahnen sind mit der nicht dargestellten Verarbeitungseinrichtung verbunden, die die generierten Oberflächenladungen detektiert und in einen Druck- beziehungsweise Kraftwert umwandelt.

In den Figuren 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele für ein Wandlerelement 2 mit zugeordnetem Abstützmaterial 7 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist beispielsweise bei dem Drucksensor nach Figuren 1 und 2 eingesetzt. Dort weist das Abstützmaterial 7 die Form eines Abstützröhrchens 11 auf, in dessen mittlerer Bohrung 10 ein stabförmiges Wandlerelement 2 eingesetzt ist.

In Figur 4 ist beidseitig zu einem plattenförmigen Wandlerelement 2 jeweils eine Abstützplatte 13 beziehungsweise 14 angeordnet. Die Abmessungen des plattenförmigen Wandlerelements 2 in Längsrichtung und auch in Querrichtung entsprechen denen der Abstützplatten 13, 14. Eine elektrische Kontaktierung erfolgt an den in Längsrichtung liegenden Enden des plattenförmigen Wandlerelements 2 und ist zur Vereinfachung in Figur 4 nicht dargestellt.

In Figur 5 ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel das Wandlerelement 2 im Wesentlichen rohrförmig und in einen Ringspalt eines Abstützrings 12 als Abstützmaterial 7 eingesetzt. Mittig ist in dem Abstützring 12 eine Zentralbohrung 24 zur Materialersparnis oder zur Aufnahme eines weiteren Wandlerelements ausgebildet.

Die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Elemente können entsprechend zu Figur 2 mat- rixförmig nebeneinander und uniaxial ausgerichtet sein, wobei das Isoliermaterial 4 sowohl zum Vergießen der verschiedenen Elemente als auch zum Verbinden beispielswei- se des plattenförmigen Wandlerelements mit den Abstützplatten 13 und 14 in Figur 4 dienen kann.

Die elektrische Kontaktierung erfolgt im Wesentlichen jeweils analog zu Figur 2. Die Anordnung der verschiedenen Elemente kann entsprechend zu Figur 1 in einem im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Drucksensor 1 erfolgen. Selbstverständlich sind andere Querschnittsformen des Drucksensors 1 möglich, wie oval, mehreckig und dergleichen.

In Figur 6 ist das Abstützmaterial 7 als Vollmaterial 18 beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Dieses Vollmaterial 18 weist eine Vielzahl von Aufnahmen 19 auf. Diese haben einen Querschnitt entsprechend zu den in dieser Aufnahme 19 eingesetzten Wandlerelementen 2. In diesem Fall ist ein entsprechendes Isoliermaterial 4 nicht mehr zum Vergießen oder zur Beabstandung der entsprechenden Wandlerelemente erforderlich, sondern kann als Klebemittel zur Verbindung von den Wandlerelementen 2 mit Wandungen der Aufnahmen 19 im Vollmaterial 18 dienen. Die elektrische Kontaktierung erfolgt entsprechend zu Figur 2 durch eine Beschichtung 20 in Form von Leiterbahnen 21 an oberen und unteren Endflächen 8, 9 der entsprechenden Wandlerelemente 2.

Auch hier sind andere Querschnittsformen für das Vollmaterial 18 und/oder die Aufnahmen 19 je nach Einsatzgebiet möglich.

In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 1 dargestellt, der in diesem Fall als Loch- oder Unterlegscheibe ausgebildet ist. Im Gegensatz zum Drucksensor 1 nach Figur 1 sind die Wandlerelemente 2 in Druckmesssektoren 16 unterteilt. Jeder dieser Druckmesssektoren 16 weist eine eigene elektrische Kontaktierung auf, siehe die verschiedenen elektrischen Anschlusskontakte 23. Die Druckmesssektoren 16 erstrecken sich in Umfangsrichtung des Drucksensors 1 über jeweils einen gleichen Mittelpunktswinkel 22 relativ zu einer Mittelachse 17, die parallel zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung 3 nach Figur 2 verläuft. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Mittelspunktswinkel 45°. Auch bei einem Drucksensor 1 nach Figur 1 ist eine solche Aufteilung in Druckmesssektoren 16 möglich, wobei sich diese dann im Wesentlichen bis zur Mittelachse 17 erstrecken, so dass sie Kreissektoren bilden.

Durch die Anordnung solcher Druckmesssektoren 16 besteht die Möglichkeit, sowohl einerseits durch alle Druckmesssektoren 16 eine Gesamtkraft oder einen Gesamtdruck zu bestimmen und weiterhin diesen Gesamtdruck oder die Gesamtkraft winkelabhängig relativ zur Mittelachse 17 aufzulösen. So können Kipp- oder Torsionsmomente relativ zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung 3 bestimmt werden.

In Figur 8 ist eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen insbesondere dadurch, dass statt einer Vielzahl oder Mehrzahl von Piezoelektrischen Wandlerelementen eine entsprechende Wandlerelementschicht 26 auf einem Stützkörper 25 aus dem Abstützmaterial 7 aufgebracht ist. Zur elektrischen Kontaktierung sind zwischen Wandlerelementschicht 26 und einer Außenseite des Stützkörpers 25 eine oder mehrere Unterelektroden 27 ebenfalls in Schichtform und auf einer Außenseite der Wandlerelementschicht 26 eine oder mehrere Deckelektroden ebenfalls in Schichtform 28 aufgebracht. Dadurch erfolgt eine Polung in Richtung senkrecht zur Kraft- bzw. Druckaufnahmerichtung 3. Die entsprechenden Schichten können als Dünn- oder Dickschichten ausgebildet sein. Die Materialien für die Schichten entsprechen dabei den bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Materialien.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 8 ist eine entsprechende Wandlerelementschicht 26 entlang des gesamten Umfangs des Stützkörpers 25 auf dessen Außenseite aufgebracht, während auf einer entsprechenden Innenseite 34 die Wandlerelementschicht 26 nur über bestimmte Umfangswinkel 35 aufgetragen ist. Bei dem dargestellten Beispiel erstreckt sich jeder Wandlerelementschichtabschnitt 26 über einen Mittelpunktswinkel von ungefähr 45° und benachbarte Wandlerelementschichtabschnitte sind durch einen Mittelpunktswinkel von ebenfalls ungefähr 45° beabstandet. Analog zu den Wandlerelementschichtabschnitten können ebenfalls die Unter- bzw. Deckelektrode ausgebildet sein. Die Wandlerelementschicht 26 auf der Außenseite des Stützkörpers 25 ist in einer im wesentlichen ringförmigen Vertiefung 30 angeordnet, so dass obere und untere Enden der Schicht 26 von einem Absatz 32 des Stützkörpers 25 abgedeckt sind. Allerdings kann sich bei einem anderen Ausführungsbeispiel die Wandlerelementschicht 26 bis zu einer Oberseite 29 und/oder Unterseite 30 des Stützkörpers 25 erstrecken, siehe hierzu auch die auf der Innenseite 34 aufgebrachten Wandlerelementschichtabschnitte 26.

Die geometrische Form des Stützkörpers 25 ist nur beispielhaft, wobei auch andere geometrische Formen wie Würfel, Quader oder dergleichen verwendbar sind, jeweils auch ggf. mit entsprechender Innenbohrung und zugehöriger Innenseite 34. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, dass der Stützkörper 35 aus einem Vollmaterial gebildet ist, so dass nur auf einer Außenseite dieses Stützkörpers eine entsprechende Wandlerelementschicht 26 aufgetragen ist.

In Figur 9 ist ein Schnitt entlang der Linie IX-IX nach Figur 8 dargestellt.

Die auf der Innenseite 34 angeordneten Wandlerelementschichtabschnitte 26 erstrecken sich jeweils nur über einen Mittelpunktswinkel 35 von in etwa 45°. Jedem Wandlerelementschichtabschnitt 26 ist ein entsprechrechender Abschnitt einer Unterelektrode 27 bzw. einer Deckelektrode 28 zugeordnet. Auf der Außenseite des Stützkörpers 25 ist in der entsprechenden Vertiefung 31 eine sich über den gesamten Umfang des Stützkörpers 25 erstreckende Wandlerelementschicht 26 aufgetragen, wiederum entsprechend mit Unterelektrode 27 und Deckelektrode 28.

Es ist selbstverständlich, dass auch die Wandlerelementschicht 26 auf der Außenseite des Stützkörpers 25 ggf. nur abschnittsweise mit entsprechend zugehörigem Mittelpunktswinkel aufgebracht ist oder sich die Wandlerelementschicht 26 auf der Innenseite 34 über den gesamten Umfang der Innenbohrung des Stützkörpers 25 erstreckt.

Weiterhin sei noch darauf verwiesen, dass auch für das Ausführungsbeispiel nach Figuren 8 und 9, die im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 geschilderten Merkmalen für beispielsweise Abstützmaterial, Verwendung des Drucksensors als Unterlegscheibe, Beziehungen der entsprechenden Elastizitätsmodule oder Produkte aus Elastizitätsmodul und Fläche und dergleichen gelten. Hierzu wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Zur Vereinfachung sind die von Unter- und Deckelektroden 27, 28 nach außen geführten elektrischen Kontakte in Figuren 8 und 9 nicht dargestellt.

Für den erfindungsgemäßen Drucksensor 1 sind verschiedene Einsatzmöglichkeiten denkbar. Bei einer Möglichkeit wird der entsprechende Drucksensor direkt an einem Ort eingebaut, an dem ein entsprechender Druck oder eine entsprechende Kraft gemessen werden soll. Dies gilt beispielsweise für drucksensitive Materialverbindungen, wie z.B. an Stahlkonstruktionen, die kraftschlussgenaue Verbindungen erfordern. Der Drucksensor befindet sich dabei zwischen den miteinander zu verbindenden Materialien und kann auch nach Anziehen einer entsprechenden Schraubverbindung oder dergleichen in dieser Konstruktion verbleiben. Während des Anziehens ist eine exakte Auswertung der aufgebrachten Druckmomente und somit eine exakte Messung des Kraftschlusses möglich. Die entsprechende Auswerteeinrichtung wird nur temporär angeschlossen und kann später entfernt werden. Die Auswerteeinrichtung kann jederzeit wieder an den Drucksensor angeschlossen werden.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist beispielsweise bei Schweißzangen, bei denen mittels zweier Schweißzangenarme zwei Schweißelektroden aneinander angenähert und auf die zu verschweißenden Teile von gegenüberliegenden Seiten aufgedrückt werden. In der Regel ist der Druck zum Zeitpunkt des Verschweißens relativ genau vorgegeben, um einwandfreie Schweißpunkte zu setzen. Dieser Druck kann durch einen entsprechend eingebauten Drucksensor bestimmt werden. Bei Schweißelektroden besteht außerdem die Möglichkeit, dass diese nach vielfachem Einsatz oder durch mechanische Beanspruchung zum Verschweißen nicht mehr exakt aufeinander treffen. In diesem Fall treten Kräfte senkrecht zur Richtung der Schweißelektroden auf, die beispielsweise durch einen Drucksensor nach Figur 7 oder 9 ermittelt werden können. Außerdem kann durch einen solchen Drucksensor der Druckanstieg und -abfall bei einer entsprechenden Schweißvorrichtung der beschriebenen Art gemessen werden.

Ein Drucksensor nach Figur 7 oder 9 kann auch ohne Verwendung der Aufteilung in Druckmesssektoren beispielsweise in Art einer Unterlegscheibe einer entsprechenden mechanischen Verbindung zugeordnet und zur Messung der entsprechenden Kräfte beziehungsweise Druckmomente verwendet werden.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Drucksensor 1 je nach Einsatzgebiet in kundenspezifischen Bauformen herzustellen, wobei im Prinzip eine solche entsprechende Bauform aus einem platten- oder scheibenförmigen Drucksensor 1 ausgeschnitten werden kann. Ein Einsatz in verschiedenen Produktionsanlagen, Werkzeugmaschinen und dergleichen ist möglich.

Auch die Anordnung von Wandlerelementen, Abstützmaterial und Isoliermaterial kann in vielfältigerweise erfolgen. Ein Beispiel sind Röhrchen als Abstützmaterial mit eingelegten, stäbchenförmigen Wandlerelementen, die parallel in einem Verbundbauteil mit einem Polymer als Isoliermaterial angeordnet sind. Ein weiteres Beispiel ist ein geschlitzter Ring als Abstützmaterial mit Schlitzen in axialer Richtung und in den Schlitzen angeordneten, stäbchenförmigen Wandlerelementen.

Die verschiedenen Anordnungen dieser Elemente können im Prinzip durch eine Zahlenschreibweise bezeichnet werden, die die Konnektivität wiedergibt, wobei die entsprechenden Zahlen die Dimensionalität der einzelnen Elemente im Verbundbauteil beschreiben.

Die jeweils erste Zahl entspricht der Dimensionszahl des Wandlerelements, die jeweils zweite Zahl der Dimensionszahl des Abstützmaterials und die letzte Zahl der Dimensionszahl des Isoliermaterials. Beispielsweise bedeutet die Zahlengruppe 1/2/3 ein stäbchenförmiges Wandlerelement in einem Röhrchen als Abstützmaterial, die dreidimensional durch Isoliermaterial vergossen sind. Die Zahlengruppe 2/2/2 bedeutet plattenförmige Wandlerelemente parallel zu Platten als Abstützmaterial, welche zweidimensional durch Isoliermaterial verklebt sind. Als Beispiel sei die weitere Zahlengruppe 1/2/1 angegeben, wobei bei dieser stäbchenförmige Wandlerelemente in Rohrschlitzen oder Plattenschlitzen des Abstützmaterials angeordnet und eindimensional durch Isoliermaterial verklebt sind.

Verschiedene weitere Zahlengruppen sind offensichtlich.

Claims

A N S P R Ü C H E

1. Drucksensor (1 ) mit einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel zu einer Kraft- oder Druckaufnahmerichtung (3) angeordneten, piezoelektrischen Wandlerelementen (2), wie Fasern, Stäbchen, Platten, oder dergleichen, welche mittels eines Isoliermaterials (4) voneinander beabstandet angeordnet und/oder gegebenenfalls zumindest teilweise in diesem eingebettet sind, wobei die piezoelektrischen Wandlerelemente (2) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Anzahl der piezoelektrischen Wandlerelemente (2) ein Abstützmaterial (7) mit insbesondere in Kraft- oder Druckaufnahmerichtung (3) im Vergleich zu den Wandlerelementen (2) höheren mechanischen Steifigkeit zugeordnet ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) einen kreisförmigen, viereckigen, insbesondere quadratischen, oder ovalen Querschnitt aufweisen.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (2) matrixförmig angeordnet sind.

4. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial (4) ein Polymermaterial oder Glas ist.

5. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung insbesondere an Endflächen (8, 9) von freien Enden (5, 6) der Wandlerelemente (2) im Wesentlichen senkrecht zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung (3) erfolgt.

6. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung als leitfähige Beschichtung (20) in Form von Leiterbahnen ausgebildet ist.

7. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung als auftragbarer, elektrisch leitfähige Partikel enthaltender Werkstoff ausgebildet ist.

8. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) eine Mehrzahl von jeweils ein im Wesentlichen stab- förmiges piezoelektrisches Wandlerelement in einer Bohrung (10) aufnehmende Abstützröhrchen (11) aufweist.

9. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) eine Mehrzahl von jeweils ein im Wesentlichen rohr- förmiges Wandlerelement (2) in sich aufnehmende Abstützringe (12) aufweist.

10. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) eine Mehrzahl von jeweils ein im Wesentlichen plat- tenförmiges Wandlerelement (2) zwischen sich aufnehmende Abstützplattenpaare (13, 14) aufweist.

11. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wandlerelement (2) und zugeordnetes Abstützmaterial (7) mit dem Isoliermaterial (4) ein Verbundmaterial bilden.

12. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wandlerelemente (2) uniaxial zusammen mit dem zugeordneten Abstützmaterial (7) angeordnet sind.

13. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wandlerelemente (2) und zugeordnetes Abstützmaterial (7) mit dem Isoliermaterial (4) vergossen sind.

14. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) ein Vollmaterial (18) mit einer Vielzahl von entsprechenden Aufnahmen (19) für jeweils ein Wandlerelement (2) und gegebenenfalls Isoliermaterial (4) ist.

15. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass piezoelektrisches Wandlerelement (2) und zugeordnetes Abstützmaterial (7) mittels des Isoliermaterials (4) miteinander verklebt sind.

16. Drucksensor (1) mit zumindest einem piezoelektrischen Wandlerelement, welches elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) als Schicht (26) auf einem Stützkörper (25) aus einem Abstützmaterial (7) aufgebracht ist und die elektrische Kontaktierung durch eine zwischen Wandlerelementschicht (26) und Stützkörper (25) angeordnete Unterelektrode (27) und eine auf einer Außenseite der Wandlerelementschicht (26) aufgebrachte Deckelektrode (28) erfolgt, wobei das Abstützmaterial (7) insbesondere in Kraftoder Druckaufnahmerichtung (3) im Vergleich zum Wandlerelement (2, 26) eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist.

17. Drucksensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass einen Wandlerelementschicht (26) auf einer Außenseite und/oder einer Innenseite eines hohen Stützkörpers (25) aufgetragen ist.

18. Drucksensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelementschicht (26) sich bis zur Ober- und/oder Unterseite (29, 30) des Stützkörpers (25) erstreckt.

19. Drucksensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelementschicht (26) in einer in Außenseite und/oder Innenseite des Stützkörpers (25) ausgebildeten Vertiefung angeordnet ist und beabstandet zu Ober- und/oder Unterseite (29, 30) des Stützkörpers (25) endet.

20. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polung der Wandlerelementschicht (26) mittels Unter- und Deckelektroden (27, 28) senkrecht zur Kraft oder Druckaufnahmerichtung (3) erfolgt.

21. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) ein Keramikmaterial oder ein Hartmetall ist.

22. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützmaterial (7) Aluminiumoxid, -nitrid oder ein anderes Keramikmaterial mit vorwiegend ionischer Bindung ist.

23. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Scheibe, insbesondere Unterlegscheibe ausgebildet ist.

24. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul und insbesondere das Produkt aus Elastizitätsmodul und Fläche des Abstützmaterials (7) größer als das Elastizitätsmodul bzw. insbesondere größer als das entsprechende Produkt aus Elastizitätsmodul und Fläche der Wandlerelemente (2) und gegebenenfalls des Isoliermaterials (4) ist.

25. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationswiderstand des Abstützmaterials (7) größer als ein Isolationswiderstand der Wandlerelemente (2) ist.

26. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einer Ebene (15) im Wesentlichen senkrecht zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung (3) in Druckmesssektoren (16) unterteilt ist.

27. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Druckmesssektor (16) kreissegmentförmig um eine zur Kraft- oder Druckaufnahmerichtung (3) parallele Mittelachse (17) des Drucksensors (1) angeordnet ist.

28. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Druckmesssektor (16) sich über den gleichen Mittelpunktswinkel (22, 35) erstreckt.

29. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) aus einem ferroelektrischen Piezoe- lektrikum gebildet ist.