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Dokumentenidentifikation DE102005034765A1 20.07.2006
Titel Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug und Drehmomentwerkzeug zum Erfassen eines anliegenden Drehmomentes
Anmelder Industrial Technology Research Institute, Hsinchu, TW
Erfinder Chen, Chiu-Wang, Huatan, Changhua, TW;
Shing, Tai-Kang, Taichung, TW;
Lin, Shyuan-Yueh, Banqiao, Taipei, TW
Vertreter Haft, von Puttkamer, Berngruber, Karakatsanis, 81669 München
DE-Anmeldedatum 26.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005034765
Offenlegungstag 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse B25B 23/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01L 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vor, welche auf einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein Mikrostrukturteil umfasst, welches mit einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges verbunden ist. Das Mikrostrukturteil umfasst ferner eine Erfassungsstruktur zum Erfassen der Belastung bzw. Dehnung oder Veränderung, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug anliegende Kraft erzeugbar ist und die Belastung oder Veränderung in ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal ist dann entsprechend kalibriert und wird für Transformierungseinheiten durch ein System-on-Ship (SoC) verarbeitet, wobei es in einen Drehmomentenwert umwandelbar ist, welcher durch den Bediener aufgebracht wird, wobei der Drehmomentenwert auf einer Display-Einrichtung angezeigt werden kann.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug und auf ein Drehmomentenwerkzeug zum Erfassen eines anliegenden Drehmomentes.

Basierend auf der vorteilhaften Digitalisierung mit den e-normen wirtschaftlichen Aspekten werden elektrische Schaltungen und Sensoren in viele bekannte Werkzeuge integriert, um relevante Daten anzuzeigen, wenn diese Werkzeuge verwendet werden. Wenn ein bekanntes Drehmomentenwerkzeug, wie z. B. ein Drehmomentenschlüssel oder andere Schraubenschlüssel, benutzt wird, kann das Ausmaß des Verschlusses nur durch die Erfahrung des Benutzers bestimmt werden und es kann nicht durch verfügbare quantitative Daten beurteilt werden. Deshalb haben einige Drehmomentenschlüssel mechanische Anzeigenadeln, mit denen der Benutzer die Quantität der anliegenden Kraft sehen kann, wobei diese Drehmomentenschlüssel im Handel bekannt sind. Jedoch können die durch die Anzeigenadel angezeigten Daten manchmal nicht ohne weiteres abgelesen werden und Mängel bei der Flexibilität der Kalibrierung aufweisen. Ferner können keine gespeicherten statistischen Daten verwendet werden, um diese bei der Digitalisierung abzugleichen, sodass elektronische oder digitale Werkzeuge entwickelt werden. Die folgenden Druckschriften zeigen bekannte elektronische und digitale Werkzeuge: Druckschrift (1) US 3,970,155 offenbart einen elektronischen Drehmomentenschlüssel, bei dem ein Paar Dehnmessstreifen an dem Drehmomentenschlüssel angeordnet sind und eine Brückenschaltung elektrisch mit den Dehnmessstreifen verbunden ist, sodass Veränderungen der Dehnmessstreifen durch die Brückenschaltung gemessen werden können. Die Druckschrift (2) US 4,976,133 offenbart eine Vorrichtung zum Einstellen und Kalibrieren eines Drehmomentenschlüssel, bei der Dehnmessstreifen an dem Drehmomentenschlüssel angeordnet sind, um die anliegende Kraft an dem Drehmomentenschlüssel zu erfassen. Die Druckschrift (3) TW 520,321 offenbart ein Drehmomentenschlüssel, bei dem Dehnmessstreifen an beiden Seiten des Drehmomentenschlüssels angeordnet sind, und eine Verbindungseinrichtung, welche im Zentrum des Drehmomentenschlüssels vorgesehen ist, wobei die Verbindungseinrichtung elektrisch mit den Dehnmessstreifen verbunden ist, sodass die Dehnungen der Dehnmessstreifen erfasst werden.

Bei der Zusammenfassung des oben genannten Standes der Technik können die allgemeinen existierenden Nachteile wie folgt beschrieben werden. (a) Bezogen auf 1 ist eine Ansicht einer bekannten Art zum Messen einer Deformierung eines Grundkörpers eines Drehmomentenwerkzeuges gezeigt. Zum Beispiel ist ein Dehnmessstreifen 11a an dem Grundkörper des Drehmomentenschlüssel 1a vorgesehen, um den Belastungswert des Momentenschlüssels zu messen. Eine Dehnungsveränderung wird erzeugt, wenn eine Kraft an den Drehmomentenschlüssel 1a anlegt, wobei eine Dehnung oder eine Verformung ebenso an dem Dehnmessstreifen 11a des deformierten Drehmomentenschlüssels 1b erzeugt wird. Gemäß der Verformung oder Veränderung des Dehnmessstreifens 11a kann die anliegende Kraft an dem Drehmomentenschlüssel bestimmt werden. Gemäß 1 ist der Dehnwert &egr; = Mc/EI, wobei &egr; der Dehnwert bzw. Belastungswert des Momentenschlüssels ist, M das anliegende Moment an dem Drehmomentenwerkzeug, c der Abstand von der Mittelachse zur Oberfläche des Drehmomentenschlüssels, E das Elastizitätsmodul des Drehmomentenschlüssels, I das Trägheitsmoment des Momentschlüssels sind. Da das Trägheitsmoment und das Elastizitätsmodul des Drehmomentenschlüssels infolge der verstärkten Ausgestaltung des Grundkörpers des Drehmomentenwerkzeuges größer ist, ist es schwer, einen größeren Dehnwert &egr; zu erreichen. (b) Zwei oder vier Dehnmessstreifen werden verwendet, um an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges vorgesehen zu sein, sodass die Kosten erhöht und die Produktionseffizienz verringert wird. (c) Ein komplizierter Analog/Digitalschaltkreis wird zur Ansteuerung benötigt.

Angesichts der oben beschriebenen Probleme und Nachteile liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes und ein Werkzeug zum Prüfen bzw. Erfassen des Drehmomentes vorzuschlagen, welches möglichst kostengünstig herstellbar sind und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Demnach wird eine Vorrichtung und ein Werkzeug vorgeschlagen, mit denen bevorzugt mittelbar aber auch unmittelbar ein anliegendes Moment gemessen werden kann. Insbesondere wird eine Mikrostruktur an dem Drehmomentenwerkzeug vorgesehen, wobei die Dehnung oder Veränderung, welche durch die anliegende Kraft an dem Drehmomentenwerkzeug erzeugt wird, zur Mikrostruktur übertragen werden kann, um eine Dehnung oder Veränderung bei der internen Fassungsstruktur zu bewirken.

Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen eines Momentes eines Drehmomentenwerkzeuges vorzuschlagen, welche zur indirekten Übertragung eine einfache Mikrostruktur an dem Drehmomentenwerkzeug vorsieht, um das Erfassen eines an dem Drehmomentenwerkzeug anliegenden Drehmomentes zu erreichen.

Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes an einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vorzuschlagen, bei der eine Einfachmikrostruktur an dem Drehmomentenwerkzeug vorgesehen ist, um die Kosten zu reduzieren und die Montagearbeiten zu verringern, sodass die Produktionseffizienz erhöht werden kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes eines Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vorzuschlagen, bei der der Werkstoff, die Größe und die Erfassungsposition einer Erfassungsstruktur, welcher als Mikrostruktur vorgesehen ist, ausgewählt und eingestellt werden kann, um größere Deformierung bei der Erfassungsstruktur zum Erhöhen des Verstärkungsfaktors zu erreichen.

Ein nächstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vorzuschlagen, bei welcher unterschiedliche Dehnungen oder Veränderungen der Erfassungsstruktur durch piezoresistive, piezoelektrische, kapazitive oder induktive Eigenschaften gemessen werden können und dann in elektrische Signale umgewandelt werden, um größere Ausgangssignale zu erhalten.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes an einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vorzuschlagen, bei welcher die Mikrostruktur elektrisch mit einem sogenannten System-On-Ship verbunden wird, um eine vereinfachte Schaltung, eine höhere Produktverfügbarkeit und einen einfacheren Zusammenbau, sowie die Reduzierung der Kosten zu erreichen.

Um die vorgenannten Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenschlüssel durch Verwendung einer indirekten Struktur vorgeschlagen, welche an einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges angeordnet ist, wobei die Vorrichtung eine mit einer Seitenoberfläche des Momentenwerkzeuges verbundene Mikrostruktur aufweist. Die Mikrostruktur umfasst ferner eine Erfassungsstruktur zum Umwandeln der Dehnung oder Veränderung in ein elektrisches Signal, wobei die Erfassungsstruktur oben auf der Seitenoberfläche des Drehmomentwerkzeuges mit einer vorbestimmten Höhe zum Erfassen der Dehnung oder Veränderung an dem Drehmomentenwerkzeug vorgesehen ist, welche durch eine anliegende Kraft erzeugt wird.

Um die oben genannten Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird ferner ein Drehmomentenwerkzeug mit einem Grundkörper, einem Mikrostrukturelement, einem Signalverarbeitungselement und einer elektrischen Versorgung vorgeschlagen. Der Grundkörper umfasst einen Werkzeugkopf, einen Antriebskopf und einen Griffkörper, wobei der Antriebskopf an dem Werkzeugkopf angeordnet ist und der Griffkörper mit dem Werkzeugkopf verbunden ist. Das Mikrostrukturelement ist an einer Seite des Grundkörpers angeordnet und umfasst ferner eine Erfassungsstruktur, welche auf der seitlichen Oberfläche des Drehmomentenwerkzeuges mit einer Erhöhung vorgesehen ist, um in der Lage zu sein, die Dehnung oder Veränderung, welche durch eine anliegende Kraft an dem Drehmomentenwerkzeug erzeugt wird, zu erfassen und die Dehnung oder Veränderung in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das Signalverarbeitungselement umfasst einen Signaloperator und ein Display, wobei der Signaloperator elektrisch mit dem Mikrostrukturelement verbunden ist. Das Display ist elektrisch mit dem Signaloperator verbunden und der Signaloperator wird verwendet, um das elektrische Signal zu empfangen und die Signalverarbeitung durchzuführen. Die elektrische Versorgungsquelle ist in dem Grundkörper angeordnet und in der Lage, das Mikrostrukturelement und das Signalverarbeitungselement mit elektrischer Energie zu versorgen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine Ansicht einer bekannten Art zum Messen von Verformungen eines Grundkörpers eines Drehmomentenwerkzeuges;

2 eine quer geschnittene Ansicht eines Mikrostrukturelementes, welches mit einem Grundkörper eines Drehmomentenwerkzeuges einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist;

3A bis 3B Diagramme, welche eine Verformung zeigen, welche durch eine an einem Mikrostrukturelement anliegende Kraft erzeugt werden, welches mit einem Grundkörper gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist;

4 eine quer geschnittene Ansicht eines Mikrostrukturelements, welches mit einem Grundkörper eines Drehmomentenwerkzeuges gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist;

5A bis 5C Diagramme, welche eine Verformung zeigen, die durch eine an einem Mikrostrukturelement anliegende Kraft erzeugt wird, welches mit einem Grundkörper gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist;

6A eine Ansicht des Mikrostrukturelements gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6B ein Diagramm mit einer Brückenschaltung zum Messen der Belastungsveränderungen der Erfassungsstruktur;

6C ein Schaltplan einer äquivalenten Schaltung des Mikrostrukturteils gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

7A bis 7C Ansichten der Struktur und eines äquivalenten Schaltkreises des Mikrostrukturelementes gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 eine dreidimensionale Ansicht eines Drehmomentenwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung; und

9 ein Blockschaltbild eines Systems zum Verarbeiten eines elektrischen Signals bei der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt eine quer geschnittene Ansicht eines Mikrostrukturelementes, welches mit einem Grundkörpers eines Drehmomentenwerkzeuges gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes an einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vor, welche an einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges 2 angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein Mikrostrukturelement 3 aufweist, welches mit einer Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges 2 verbunden ist. Das Mikrostrukturelement 3 umfasst ferner eine Erfassungsstruktur 31, welche oberhalb der Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges 2 in einer vorbestimmten Höhe h vorgesehen ist, wobei die Erfassungsstruktur 31 zum Erfassen der Dehnung oder der Änderung, welche durch eine anliegende Kraft an dem Drehmomentenwerkzeug 2 erzeugt wird, und zum Umwandeln der Dehnung oder Veränderung in ein elektrisches Signal vorgesehen ist. Eine Verbindungsstruktur ist an der Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges zum Verbinden mit dem Mikrostrukturelement 3 angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Verbindungsstruktur eine Verarbeitungsebene 32 und das Mikrostrukturelement 3 ist an der Verarbeitungsebene 32 durch einen klebenden Werkstoff angeklebt. Die Erfassungsstruktur 31 ist eine Dünnfilmstruktur. Durch die Erfassungsstruktur 31 misst das Mikrostrukturelement 3 indirekt die Dehnung oder Veränderung, welche durch eine Kraft erzeugt wird, welche an dem Drehmomentenwerkzeug 2 anliegt. Das mit der Dehnung oder Veränderung korrespondierende elektrische Signal kann durch die Auswahl der Größe, der Form und dem Material der Erfassungsstruktur 31 in Verbindung mit der Höhe h verstärkt werden. Eine Massenproduktion der Mikrostruktur 3 kann durch präzise Verarbeitungstechniken, durch mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS)-Technologie und durch Halbleiterherstellungsprozesse erreicht werden.

In den 3a und 3b sind Diagramme gezeigt, welche die Deformierung zeigen, die durch eine an einem Mikrostrukturteil anliegende Kraft erzeugt werden, welches mit einem Grundkörper gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist. 3A zeigt ein Diagramm, welches die Verbindung zwischen dem Mikrostrukturelement und dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges zeigt. Da ein Ende des Grundkörpers mit einem Werkstück verbunden ist, kann das Ende als ein fixiertes Ende betrachtet werden. Ein Moment wird an dem anderen Ende des Grundkörpers infolge einer anliegenden Kraft daran erzeugt, sodass es als Ausleger bzw. Auskragung zum Vereinfachen der Analyse betrachtet werden kann. Wenn ein Moment M an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges 2 anliegt, gemäß 3B, tritt eine Deformierung an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges 2 durch das Moment M auf. Da die Erfassungsstruktur 31 bei einer Höhe h oberhalb der Oberfläche des Grundkörpers des Drehmomentenwerkzeuges 2 angeordnet ist, wird ein Deformationswert &egr;1 durch die an dem Drehmomentenwerkzeug 2 anliegende Kraft auf den Wert &egr;2 verstärkt, wobei &egr;1= (L/2)·sin&thgr;(1) &egr;2=(L/2+h)·sin&thgr;(2) und wobei L die Höhe des Drehmomentenwerkzeuges 2, &thgr; der eingeschlossene Winkel zwischen dem Normalzustand und dem deformierten Zustand sind. Durch Übertragung des verstärkten Deformationswertes &egr;2 in das Mikrostrukturteil 3 wird somit eine Deformation an der Erfassungsstruktur 31 bewirkt. Da die Erfassungsstruktur 31 eine Dünnfilmstruktur ist, welche sich durch eine hohe Sensibilität hinsichtlich Veränderungen oder Dehnungsvariationen auszeichnet, kann die ursprüngliche Veränderung oder Dehnungsvariation an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges indirekt durch das Messen der Veränderung oder Dehnungsvariation, welche an der Erfassungsstruktur 31 bewirkt werden, gemessen werden.

4 zeigt eine quer geschnittene Ansicht eines Mikrostrukturelementes, welches mit einem Grundkörper eines Drehmomentenwerkzeuges gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Messen des Drehmomentes an einem Drehmomentenwerkzeug durch das Verwenden einer indirekten Struktur vor, welche an einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges 2 angeordnet ist, bei der die Vorrichtung ein Mikrostrukturelement 4 aufweist, welches mit einer Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges 2 verbunden ist. Das Mikrostrukturelement 4 umfasst ferner eine Erfassungsstruktur 41, welche oberhalb der Oberflächenseite mit einer Höhe h zum Erfassen der Dehnung oder der Veränderung angeordnet ist, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug 2 anliegende Kraft erzeugt wird und die Dehnung oder Veränderung in ein elektrisches Signal umwandelt. Eine Verbindungsstruktur ist an der Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges zum Verbinden mit dem Mikrostrukturelement 4 angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung ist die Verbindungsstruktur ein Einschnitt 42, deren vordere und hintere Enden mit dem Mikrostrukturelement 4 verbunden sind, wobei das Mikrostrukturelement 4 mit dem vorderen und hinteren Ende des Einschnittes 42 durch ein klebendes Material verbunden ist. Die Erfassungsstruktur 41 ist eine Dünnfilmstruktur. Eine Massenproduktion des Mikrostrukturelements kann durch die Techniken einer präzisen Verarbeitung, einer mikro-elektro-mechanischen Systemtechnologie (MEMS) und durch die Halbleiterherstellung erreicht werden.

Die 5A und 5B zeigen jeweils ein Diagramm mit der Verformung, welche durch eine an einem Mikrostrukturelement anliegenden Kraft erzeugt wird, welches mit einem Grundkörper gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist. In 5A ist ein Diagramm gezeigt, welches die Verbindungsbeziehung zwischen dem Mikrostrukturelement und dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges trägt. Da ein Ende des Grundkörpers mit einem Bauteil verbunden ist, kann das Ende als ein fixiertes Ende betrachtet werden. Ein Drehmoment an dem anderen Ende des Grundkörpers kann infolge einer anliegenden Kraft erzeugt werden; somit kann es als eine Auskragung zum Vereinfachen der Analyse betrachtet werden. Wenn ein Drehmoment M an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges 2 anliegt, wie in 5B gezeigt, tritt eine Deformation an dem Grundkörper des Drehmomentenwerkzeuges 2 durch das Drehmoment M auf. Durch den Einschnitt 42 wird der Abstand zwischen der Erfassungsstruktur und der Oberfläche des Drehmomentenwerkzeuges bis zu einer Höhe h gesteigert. Wenn das Moment an dem Drehmomentenwerkzeug anliegt, tritt zusätzlich eine Deformation in X-Achsenrichtung auf, welches durch die Gleichung (2) ausgedrückt wird, wobei eine ähnliche Deformation &Dgr;h in Y-Achsenrichtung an dem dünnen Erfassungsfilm 41 gemäß 5C auftritt, wobei &Dgr;h = H·(1 – cos&thgr;)(3) Gilt.

6A zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Mikrostrukturelementes gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einer Erfassungsstruktur 51 eines Mikrostrukturelementes 5 ist wenigstens ein Erfassungskörper 52 angeordnet. Der Erfassungskörper 52 kann aus einem Dehnmessstreifen oder einem piezoresistiven Material gebildet sein, wobei das piezoresistive Material aus einem Halbleiterprozess gefertigt werden kann. 6B zeigt ein Schaltbild einer Brückenschaltung zum Messen der Dehnungsveränderungen der Erfassungsstruktur. Die Erfassungsstruktur ist mit einer Brückenschaltung 8 verbunden, welche einen Erfassungswiderstand 81 und drei externe Widerstände 82 umfasst, wobei der Erfassungswiderstand 81 der Erfassungskörper 52 ist, wie in 6A gezeigt. Durch die Dehnungsveränderung, welche an der Erfassungsstruktur in 6A erzeugt wird, wird der Widerstand des Erfassungskörpers 52 verändert und die Widerstandsänderung des Erfassungskörpers 52 wird in ein elektrisches Signal (Vout in 6B) durch die Brückenschaltung 8 umgewandelt. Die Brückenschaltung kann eine quadratische Brückenschaltung, wie z. B. eine Wheatstonebrücke oder dergleichen, bei der Ausgestaltung sein. Um an die Anzahl der Erfassungskörper, welche darauf angeordnet sind, angepasst zu sein, wird eine volle oder eine halbe Brückenschaltung verwendet, um die Widerstandsveränderungen bei dem Erfassungskörper 52 infolge der Dehnungsveränderung daran zu analysieren.

Neben den passiven Elementen, wie z. B. einem Dehnungsmessstreifen oder einem piezoresistiven Material kann der Erfassungskörper, wie in 6A gezeigt, ebenso aus einem piezoelektrischen Material, wie in 6C gezeigt, ausgebildet sein, wobei 6C ein Schaltplan einer äquivalenten Schaltung des Mikrostrukturelements gemäß des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Das piezoelektrische Material kann durch einen Halbleiterherstellungsprozess hergestellt werden. Wenn eine Deformation auftritt an der Erfassungsstruktur, wie z. B. das Zusammenpressen oder Auseinanderdehnen des piezoelektrischen Materials wird ein korrespondierendes elektrisches Signal ausgegeben, welches durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt wird.

Gemäß der 7A bis 7C sind Ansichten der Struktur und der äquivalenten Schaltung des Mikrostrukturelementes gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gemäß 7A weist ein Mikrostrukturelement 6 eine Erfassungsstruktur 61 und eine parallele Platte 62 auf, wobei die parallele Platte 62 in einem Abstand d von der Erfassungsstruktur 61 entfernt ist. Durch das Versorgen mit elektrischer Energie des Mikrostrukturelementes 6 wird eine Kapazität zwischen der Erfassungsstruktur 61 und der parallelen Platte 62 gebildet, wobei C = &egr;cA/d(4) gilt

und wobei &egr;c die dielektrische Konstante, d der Abstand zwischen der parallelen Platte 62 und der Erfassungsstruktur 61 und A der Bereich der parallelen Platte 62 ist. Gemäß 7B wird der Abstand d zwischen der Erfassungsstruktur 61 und der parallelen Platte 62 auf d' verändert, wenn eine Deformation oder Dehnung an der Erfassungsstruktur 61 auftritt. Somit wird die Kapazität C infolge der Abstandsvariation durch die Gleichung (4) variiert. Durch Messen der Kapazitätsvariation, welche durch die Belastungsvariation bewirkt wird, wird ein korrespondierendes elektrisches Signal erzeugt und ausgegeben, gemäß 7C. 7C zeigt eine äquivalente Schaltung des Mikrostrukturelementes.

8 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Drehmomentwerkzeuges gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Drehmomentwerkzeug 7 umfasst einen Grundkörper 71, ein Mikrostrukturelement 72, ein Signalverarbeitungselement 73 und eine elektrische Versorgungsquelle 74. Der Grundkörper 71 umfasst einen Werkzeugkopf 711, einen Antriebskopf 712, ein Griffteil oder Griffkörper 713 und einen Einschnitt 714, wobei der Antriebskopf 712 an dem Werkzeugkopf 711 angeordnet ist und der Griffkörper 713 mit dem Werkzeugkopf 711 verbunden ist. Der Antriebskopf 712 ermöglicht die Verbindung mit verschiedenen Werkzeugen, wie z. B. einem Sechskantschlüssel und einer Sechskantnuss oder dergleichen Werkzeug. Das Mikrostrukturelement 72 ist angeordnet an einer Seitenoberfläche des Griffkörpers 713 nahe dem Bereich des Werkzeugkopfes 711, wobei das Mikrostrukturelement 72 mit zwei Enden des Einschnittes 714 verbunden ist. Das Mikrostrukturelement 72 umfasst ferner eine Erfassungsstruktur 721, welche oberhalb der Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges 7 mit einer vorbestimmten Höhe h angeordnet ist und in der Lage ist, die Dehnung oder Veränderung zu erfassen, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug anliegende Kraft erzeugt wird und die Dehnung oder Veränderung in zumindest ein elektrisches Signal umzuwandeln.

Das Signalverarbeitungsteil 73 ist elektrisch mit dem Mikrostrukturelement 72 verbunden, wobei das Signalverarbeitungsteil 73 in der Lage ist, das elektrische Signal zu empfangen und den Signalverarbeitungsprozess durchzuführen. Das Signalverarbeitungsteil 73 umfasst einen Signaloperator 731 und ein Display 732, wobei der Signaloperator 731 elektrisch mit dem Mikrostrukturelement 72 verbunden ist; das Display 732 ist elektrisch mit dem Signaloperator 731 verbunden. Das Display 732 ist eine Displayeinrichtung, welche z. B. ein Flüssigkeitskristallbildschirm oder Display mit lichtimitierenden Dioden sein kann. Das elektrische Versortungsteil 74 ist in dem Grundkörper 71 angeordnet und in der Lage, das Drehmomentenwerkzeug 7 mit elektrischer Energie zu versorgen.

9 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zum Verarbeiten von elektrischen Signalen gemäß der vorliegenden Erfindung. Zum Vereinfachen des Signalverarbeitungsschaltkreises und zum Reduzieren der Kosten kann der Signaloperator 731, z. B. als ein System-On-Ship (ScC) oder dergleichen ausgebildet sein. Der Signaloperator 731 integriert einen Verstärker 7311, eine Analog-Digital-Einheit 7312, eine Datenspeichereinrichtung 7313, eine Programmspeichereinheit 7314, eine zentrale Verarbeitungseinheit 7315, eine Display-Anzeige-Einrichtung 7316 und ein Eingabe/Ausgabeinterface 7317 in einem Einfach-Ship bzw. singlechip. Die vorliegende Erfindung verwendet den integrierten Signaloperator 731 als ein Kontrollzentrum, wobei der Signaloperator 731 eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle 7319 für das Mikrostrukturelement 72 aufweist. Wenn das oben genannte elektrische Signal erzeugt wird, wird das elektrische Signal an den Signaloperator 731 gesendet und es wird durch den Verstärker 7311 verstärkt, durch die Analog-Digital-Einheit 7312 umgewandelt; danach wird das umgewandelte Signal oder die umgewandelten Daten an dem Display 732 angezeigt, nachdem eine angemessene Kalibrierung und Kompensation durchgeführt worden ist. Die vorliegende Erfindung sieht ferner einen Knopf oder ein Eingabegerät 7313 zum Senden von Daten an die zentrale Verarbeitungseinheit 7315 zum Verarbeiten durch das Eingabe/Ausgabe-Interface 7317 vor. Das Ansteuern und Verarbeiten des Signaloperators 731 wird insgesamt durch die Zentralverarbeitungseinheit 7315 kontrolliert bzw. angesteuert und die Daten sowie die Firmenwareprogramme, welche darauf verwendet werden, werden in den Speichereinheiten 7313 und 7314 des Signaloperators 731 gespeichert.

Während die bevorzugten Ausgestaltungen und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Ziel der Offenbarung beschrieben worden sind, sind Modifikationen möglich, ohne dabei den Umfang und den Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zusammenfassend schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug durch Verwenden einer indirekten Struktur vor, welche auf einer Seite des Drehmomentwerkzeuges angeordnet ist, wobei die Vorrichtung ein Mikrostrukturteil umfasst, welches mit einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges verbunden ist. Das Mikrostrukturteil umfasst ferner eine Erfassungsstruktur zum Erfassen der Belastung bzw. Dehnung oder Veränderung, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug anliegenden Kraft erzeugbar ist und die Belastung oder Veränderung in ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal ist dann entsprechend kalibriert und wird für Transformierungseinheiten durch ein System-on-Ship (SoC) verarbeitet, wobei es in ein Drehmomentenwert umwandelbar ist, welcher durch den Bediener aufgebracht wird, wobei der Drehmomentenwert auf einer Display-Einrichtung angezeigt werden kann.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes bei einem Drehmomentenwerkzeug (2) durch Verwenden einer mittelbaren bzw. indirekten Struktur, welche auf einer Seite des Drehmomentenwerkzeuges (2) angeordnet ist, umfassend:

    ein Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7), welches mit einer Seitenoberfläche des Drehmomentenwerkzeuges(2) verbunden ist, wobei das Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) ferner eine Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61) zum Erfassen der Belastung oder Veränderung, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug (2) angreifende Kraft erzeugbar ist, und zum Umwandeln der Belastung oder Änderung in ein elektrisches Signal umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsstruktur an der Seitenoberfläche zum Verbinden mit dem Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur eine Verarbeitungsebene (32) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur ein Einschnitt (42) ist, wobei die vorderen und hinteren Enden des Einschnittes (42, 714) mit dem Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) an der Seitenoberfläche mittels eines klebenden Materials angeklebt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) eine Dünnfilmstruktur ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) mit einer Brückenschaltung verbunden ist, wobei die Brückenschaltung wenigstens einen Erfassungskörper (52) aufweist, welcher an der Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) und an externen Widerständen (82) angeordnet ist und zum Umwandeln der Widerstandsvariationen verwendet wird, welche durch die Belastungsvariation bewirkt wird, welche an der Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) erzeugt wird, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungskörper (52) aus einem Dehnmessstreifen oder einem piezoresistiven Material gefertigt ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungskörper (52) aus einem piezoelektrischen Material durch Halbleiterherstellung ausgebildet ist, sodass ein korrespondierendes elektrisches Signal durch den piezoelektrischen Effekt erzeugbar ist, wenn eine Deformation an der Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) auftritt und ein Komprimieren oder Längen des piezoelektrischen Materials erfolgt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Platte (62) an einer Seite der Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) angeordnet ist, um einen Erfassungskondensator zu bilden, sodass ein korrespondierendes elektrisches Signal erzeugbar ist, wenn eine Deformation an der Erfassungsstruktur (31, 41, 51, 61, 71) vorliegt und eine Kapazitätsvariation an dem Erfassungskondensator bewirkt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalverarbeitungsteil (73) elektrisch mit dem Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) verbunden ist, wobei das Signalverarbeitungsteil (73) in der Lage ist, das elektrische Signal zu empfangen und den Signalverarbeitungsprozess durchzuführen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalverarbeitungsteil (73) einen Signaloperator (731) und ein Display (732) umfasst, wobei der Signaloperator (731) elektrisch mit dem Mikrostrukturelement (3, 4, 5, 6, 7) verbunden ist und das Display (732) elektrisch mit dem Signaloperator (731) verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Signaloperator (731) ein System-On-Ship (SoC) ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur (3, 4, 5, 6, 7) oberhalb der Seitenoberfläche mit einer vorbestimmten Höhe (h) angeordnet ist.
  15. Drehmomentenwerkzeug, umfassend:

    – einen Grundkörper (71), welcher einen Werkzeugkopf (711), einen Antriebskopf (712) und einen Griffkörper (713) umfasst,

    wobei der Antriebskopf (712) an dem Werkzeugkopf (711) angeordnet ist und der Griffkörper (713) mit dem Werkzeugkopf (711) verbunden ist;

    – ein Mikrostrukturelement (72), welches an einer Seitenoberfläche des Grundkörpers (71) angeordnet ist, wobei das Mikrostrukturteil (72) ferner eine Erfassungsstruktur (721) zum Erfassen der Belastung oder Veränderung aufweist, welche durch eine an dem Drehmomentenwerkzeug (7) anliegende Kraft erzeugt wird und die Belastung oder Veränderung in ein elektrisches Signal umwandelt;

    – ein Signalverarbeitungsteil (73), welches einen Signaloperator (731) und ein Display (732) umfasst, wobei der Signaloperator elektrisch mit dem Mikrostrukturelement (72) verbunden ist und das Display (732) elektrisch mit dem Signaloperator (731) verbunden ist, wobei das Signalverarbeitungsteil (73) in der Lage ist, das elektrische Signal zu empfangen und den Signalverarbeitungsprozess durchzuführen; und

    – ein elektrisches Versorgungsteil (74), welches in dem Grundkörper (71) angeordnet ist und in der Lage ist, das Mikrostrukturelement (72) und das Signalverarbeitungsteil (73) mit elektrischer Energie zu versorgen.
  16. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsstruktur zum Verbinden mit dem Mikrostrukturelement (72) an der Seitenoberfläche vorgesehen ist.
  17. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur einen Einschnitt (714) aufweist, wobei die vorderen und hinteren Enden des Einschnittes (714) mit dem Mikrostrukturelement (72) verbunden sind.
  18. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur eine Verarbeitungsebene (32) ist.
  19. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur mit einer Brückenschaltung verbunden ist, wobei die Brückenschaltung wenigstens einen Erfassungskörper (52) aufweist, welcher auf der Erfassungsstruktur und dem externen Widerstand (82) angeordnet ist und wobei der Erfassungskörper zum Umwandeln der Widerstandsvariation ein elektrisches Signal verwendbar ist, welche durch die Belastungsvariation verursacht wird, welche an der Erfassungsstruktur erzeugt wird.
  20. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungskörper (52) aus einem Dehnmessstreifen oder einem piezoresistiven Material gefertigt ist.
  21. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungskörper (52) aus einem piezoelektrischem Material durch Halbleiterherstellung gefertigt ist, sodass ein korrespondierendes elektrisches Signal durch den piezoelektrischen Effekt erzeugbar ist, wenn eine Deformation an der Erfassungsstruktur durch Komprimieren oder Dehnen des piezoelektrischen Materials auftritt.
  22. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Platte (62) an einer Seite der Erfassungsstruktur angeordnet ist, um einen Erfassungskondensator zu bilden, sodass ein korrespondierendes elektrisches Signal erzeugbar ist, wenn eine Deformation an der Erfassungsstruktur auftritt und eine Kapazitätsvariation des Erfassungskondensators bewirkt wird.
  23. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrostrukturelement (72) an der Oberflächenseite durch ein klebendes Material anklebbar ist.
  24. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur eine Dünnfilmstruktur ist.
  25. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Signaloperator (731) ein System-On-Ship (SoC) ist.
  26. Drehmomentenwerkzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsstruktur oberhalb der Seitenoberfläche mit einer vorbestimmten Höhe (h) angeordnet ist.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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