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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager,
welches über
eine integrierte Sensorik verfügt,
um im Wälzlager
Zustandsmessungen durchzuführen.
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Aus der Europäischen Offenlegungsschrift
EP 1 148 261 A2 ist
es bekannt, im Wälzlager
auftretende Kräfte
in indirekter Weise dadurch zu messen, dass die Verformung der Lagerschalen
des Wälzlagers
in einem Verfahren der Surface Acoustic Wave (SAW) Messmethodik
durchgeführt
wird. Nachteilig ist hierbei, dass diese indirekte Art der Messung über die
Verformung der Lagerschalen eine aufwendige Messtechnik erfordert.
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Aus dem Deutschen Patent
DE 199 25 460 C2 ist
ferner bekannt, die Messung zwar in direkter Weise durchzuführen, jedoch
die Sensorik direkt im Laufkontakt des Wälzkörpers anzuordnen. Bei dieser Lösung ist
zum einen von Nachteil, dass für
diese Lösung
ein Multila genaufbau erforderlich ist und sie somit aufwendig ist.
Zum Zweiten kann die verwendete dünne Sensorschicht im Wälzkontakt
im Laufe der Betriebsdauer Veränderungen
erfahren und somit aufwendige Neukalibrationen der Meßvorrichtung
erforderlich machen. Es kann sogar ein Totalausfall durch die Zerstörung der
Sensorschicht erfolgen.
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Alle diese Nachteile bringen eine
erhöhte Fehleranfälligkeit
und höhere
Kosten bei der Produktion und im laufenden Betrieb mit sich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer
solchen Vorrichtung anzugeben, welche durch die Verwendung direkter
Kraftmessung eine Wälzlager-integrierte
Zustandsmessung bereitstellt, wobei insbesondere die im Stand der
Technik genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Wälzlager
nach Patentanspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers
nach Patentanspruch 13 gelöst.
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Dadurch, dass das Wälzlager
eine erste Lagerschale aufweist, welche einen inneren und einen äußeren Teil
aufweist, wobei der innere und der äußere Teil so zueinander räumlich angeordnet
sind, dass sie schalenartig ineinander liegen, und wobei ferner
zwischen dem vorgenannten äußeren und
inneren Teil der ersten Lagerschale eine kraftsensitive Messschicht
angeordnet ist, ist eine Anordnung gefunden, welche die direkte
Druckmessung von auf die Lagerschale ausgeübten Kräften ermöglicht, ohne dass die Kraftmesssensorik
der direkten mechanischen Beanspruchungen im Wälzkon takt ausgesetzt ist. Ferner
wird durch diesen Aufbau der Vorteil erreicht, dass die als kraftsensitive
Messschicht ausgeführte
Kraftmesssensorik während
der Herstellung in technisch besonders einfacher und kostengünstiger Weise
aufgebaut werden kann, beispielsweise dadurch, dass die sensorischen
Schichten einfach auf die exponierte Oberfläche des inneren undloder äußeren Teiles
der ersten Lagerschale des Wälzlagers durch
produktionstechnisch bewährte
Beschichtungsverfahren erfolgen kann.
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Von dieser, letztgenannten vorteilhaften
Eigenschaft wird im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Gebrauch
gemacht: Es wird nach diesem Verfahren dadurch eine Lagerschale
mit integrierter Kraftsensorik hergestellt, dass ein erstes schalenförmiges Formteil
ausgewählt
wird, auf dessen einen Seite eine kraftsensitive Messschicht aufgebracht wird
und dann ein zweites Formteil so mit dem ersten Formteil zusammengebracht
wird, dass die kraftsensitive Messschicht zwischen dem ersten und
dem zweiten Formteil liegt und beide Formteile zusammen eine erste
Lagerschale des Wälzlagers
bilden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind nach den Unteransprüchen möglich und werden im Folgenden
kurz erläutert:
Eine
kostensparende technische Weiterbildung sieht vor, die Messschicht
nur in lokalen Bereichen zwischen dem inneren und äußeren Teil
der ersten Lagerschale anzuordnen, so dass sich die Messschicht nur
teilweise über
die Grenzfläche
zwischen dem inneren und dem äußeren Teil
der Lagerschale erstreckt und seitlich, d.h. außerhalb der lokalen Bereiche
der Messschicht von einer Isolationslage eingefasst ist.
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Durch die Verwendung der Isolationslage
in dieser Weiterbildung wird zum einen elektrische Isolation des
Messschichtbereiches von anderen Bereichen erreicht und zum anderen
eine ebenmäßige Schicht
im Zusammenspiel mit den lokalen Messschichtbereichen hergestellt.
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Eine alternative vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, die Messschicht über
den gesamten Grenzflächenbereich
aus innerem und äußerem Teil der
ersten Lagerschale auszuführen,
was produktionstechnisch besonders leicht zu realisieren ist.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung
sieht vor, für
die kraftsensitive Messschicht das Prinzip eines druckabhängigen elektrischen
Widerstandes und seiner Messung zu verwenden und dazu Elektroden zur
Messung des Widerstandes im Bereich der kraftsensitiven Messschicht
vorzusehen, welche mit der Messschicht elektrisch verbunden sind.
Dabei ist erforderlich, die Elektroden mit Leiterbahnen elektrisch zu
verbinden, wobei besonders in Verbindung mit der Ausbildung der
kraftsensitiven Messschicht in Schichttechnik bewährte Methoden
zur Herstellung der Leiterbahnen aus der Leiterplattentechnik zur Verwendung
kommen können.
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Um sicherzustellen, dass der äußere Teil
und der innere Teil der ersten, zweigeteilten, Lagerschale in ihrer
Position relativ zueinander nicht im Betrieb des Wälzlagers
verschoben werden, ist es vorteilhaft, das Wälzlager dahingehend weiterzubilden,
dass in sowohl dem inneren als auch dem äußeren Teil jeweils an den einander
zugewandten Seiten dieser Teile eine Nut eingearbeitet ist, so dass
im zusammengesetzten Zustand diese Nuten einander gegenüberliegen.
Durch die Einfügung
eines Keils, der in beide Nuten sicher ein greift und diese miteinander verbindet,
sind die beiden Teile gegen eine relative Bewegung zueinander gesichert.
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Alternativ und/oder flankierend kann
der vorgenannte innere und der äußere Teil
der ersten Lagerschale dadurch gegen eine relative Bewegung zueinander
gesichert werden, dass die zueinander gewandten Oberflächen mit
jeweils gegenläufigen
Profilen versehen sind, so dass eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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In einer Wälzlagervorrichtung, bei der
zwei Lagerschalen miteinander über
Wälzkörper zwischen den
Lagerschalen in Wälzkontakt
stehen, ist es eine besonders vorteilhafte Anordnung, die äußere der beiden
Lagerschalen mit der Messschicht in vorbeschriebener Weise auszustatten.
Es kann hierdurch eine bessere Ortsauflösung bei der Druckmessung erreicht
werden. Es ist ferner möglich,
die Vorrichtung so auszubilden, dass die Messschicht auch in der zweiten,
inneren Lagerschale aufgebaut ist oder ausschließlich in der inneren Lagerschale
wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wurde. Auf diese Weise
wird eine hohe Flexibilität
für verschiedene
konkrete Messanwendungen gewährleistet
und die elektrische Anbindung der Messschicht bzw. der mit dieser
in Kontakt stehenden elektrischen Kontaktierungen und Leiterbahnen
von außerhalb
des Wälzlagers vereinfacht.
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Zusätzlich zur Kraftsensorik kann
vorteilhafterweise auch eine Temperatursensorik vorgesehen sein.
Dabei kann die Temperaturabhängigkeit
der Kraftsensorik der Messschicht selbst ausgenutzt werden oder
separate Temperatursensoren, etwa in einer Ausnehmung des inneren
oder äußeren Lagerschalenteils,
vorgesehen sein.
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Das Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen oder
vorteilhaft weitergebildeten Wälzlagers
ist produktionstechnisch besonders in Hinblick auf die Ausführung der
Sensorik als kraftsensitive Messschicht besonders günstig ausgeführt, wenn
zusätzlich
zur kraftsensitiven Messschicht auf der Oberfläche, auf der die Messschicht
angebracht wird, alternativ oder gleichzeitig Elektroden, elektrische
Leiterbahnen und/oder elektrische Kontakte aufgebracht werden. Elektroden,
elektrische Leiterbahnen und/oder elektrische Kontakte können dabei durch
die produktionstechnisch bewährten
Methoden der Laserstrukturierung sowie der fotolithografischen Methoden
erfolgen.
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Die vorteilhafte produktionstechnische
Anwendbarkeit einer durchgängig
ausgeführten Schichttechnik
kann dann erzielt werden, wenn eine abschließende Isolationsschicht auf
die kraftsensitive Messschicht aufgebracht wird, wobei elektrische Kontakte
und Leiterbahnen, die mit der Messschicht direkten Kontakt haben,
ebenfalls von der Isolationsschicht abgedeckt werden. Es erstreckt
sich also die Isolationsschicht sowohl über die Messschicht als auch über die
Kontakte und/oder Leiterbahnen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
des Wälzlagers
sieht vor, einen integrierten Schaltkreis zur Signalverarbeitung,
etwa zur Aufbereitung der durch Krafteinwirkung bewirkten elektrischen
Veränderungen,
und/oder zur drahtlosen Übertragung
der Messsignale vorzusehen. Dabei ist besonders vorteilhaft, den
integrierten Schaltkreis im Lager in geeigneter Weise, beispielsweise
in einer Ausnehmung des inneren und/oder äußeren Teilringes, zu integrieren.
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Die verwendeten Isolationsmaterialien
sowohl für
die abschließende
Isolationsschicht als auch für
die seitlich die lokalen Messschichtbereiche einfassenden Isolationslagen
bestehen dabei besonders vorteilhafter Weise aus einer Auswahl von
Titandioxid (TiO2), Aluminiumnitrid (AlN),
Aluminiumoxid (Al2O3),
und/oder Siliziumdioxid (SiO2). Das Isolationsmaterial
kann auch als Material aus Kohlenwasserstoff bestehen, welches Elemente
aus Silizium, Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält und beispielsweise
unter der Marke SICON® bekannt ist.
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Die Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen
werden nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein Wälzlager mit vollflächiger kraftsensitiver Messschicht,
wobei ferner der innere und der äußere Teil
der äußeren Lagerschale
durch eine Nut-Keil-Sicherung gegen relative Bewegungen zueinander
gesichert sind,
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2 einen
Querschnitt durch ein Wälzlager,
bei dem die kraftsensitive Messschicht so ausgeführt ist, dass Messschichtbereiche
lokal aufgebracht und jeweils seitlich von Isolationslagen eingefasst sind,
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3 einen
Detail-Querschnitt durch den ersten Teil einer Lagerschale, den
zweiten Teil einer Lagerschale, wobei letztere mit Wälzkörpern direkt
in Wälzkontakt
steht, und wobei ferner die Ausgestaltung lokal definierter Auflageflächen näher dargestellt
ist,
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3a eine
Variante des in 3 Gezeigten,
wobei definierte Auflagenflächen
durch die Profilierung des zweiten Teils der Lagerschale erzeugt werden,
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4 einen
Detail-Querschnitt durch einen Teil der mit einer draufliegenden
Sensorschicht versehenen Lagerschale, darauf elektrisch in Kontakt aufgebrachten
Sensoren und wiederum darauf und seitlich die Sensoren umgebend
eine Isolationsschicht, sowie
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5 verschiedene
Ausgestaltungsmöglichkeiten
von die Messschicht kontaktierenden elektrischen Kontakten und angeschlossenen
Leiterbahnen als Draufsicht auf eine Messschicht.
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In 1 ist
ein Querschnitt durch ein Wälzlager
dargestellt mit einer ersten Lagerschale 1, 2, 3, welche
ihrerseits aus einem inneren Teil 2 und einem äußeren Teil 1 besteht,
welche schalenförmig
ineinander liegen und durch eine Messschicht 3 voneinander
getrennt sind. Dabei ist die Messschicht 3 vollflächig entlang
der Grenzfläche
aus dem inneren Teil 2 und dem äußeren Teil 1 ausgeführt. Die
der Messschicht abgewandte Seite des inneren Teiles 2 steht in
Wälzkontakt
mit Wälzkörpern 4,
welche wiederum mit einer weiteren Lagerschale 5 in Wälzkontakt
stehen.
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Der äußere Teil 1 sowie
der innere Teil 2 weisen einander gegenüberliegende Nuten auf, die durch
einen in beide Nuten hineinfassenden, die Nuten verbindenden Keil 6 auf.
Auf diese Weise wird der innere Teil 2 und der äußere Teil 1 der
ersten Lagerschale gegen Verschiebung zueinander (relative Bewegung)
gesi chert.
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Für
die Herstellung des in 1 Gezeigten wurde
auf die Oberfläche,
zur Messschichtseite bestimmte Oberfläche durch gängige Beschichtungstechniken
eine kraftsensitive Messschicht, beispielsweise ein druckabhängiger elektrischer
Widerstand, aufgebracht. Der äußere Teil 1 der
Lagerschale 1, 2, 3 wurde auf den beschichteten
Innenteil 2, 3 unter Anwendung bekannter Erwärmungs-
und Schrumpfverfahren formschlüssig
montiert. Dadurch erhält
die kraftsensitive Messschicht eine Vorspannung, die jedoch für die spätere Zustandsmessung
nicht nachteilig ist.
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Durch diese Zweiteilung der Lagerschale 1, 2, 3 in
einen inneren Teil 2 und einen äußeren Teil 1, welcher
ebenso alternativ oder gleichzeitig für die innere Lagerschale 5 ausgeführt werden
kann, und dadurch, dass entsprechend eine kraftsensitive Messschicht
im Inneren dieser Zweiteilung vorgesehen ist, kann bei entsprechender
Dimensionierung desjenigen Lagerschalenteiles, welches im Wälzkontakt
zu den Wälzkörpern steht
(in diesem Falle der innere Lagerschalenteil 2), eine Kraftübertragung
an die Messschicht erfolgen und somit eine direkte Messung des Druckes
vorgenommen werden, ohne dass die Wälzlagerkontaktflächen im
laufenden Betrieb verändert
werden und/oder eine Beeinträchtigung der
Lebensdauer oder des Betriebszustandes des Lagers erfolgt.
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Das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom in 1 gezeigten
zum einen darin, dass anstelle der Nut- und Keil-Sicherung gegen
relative Bewegung zueinander im inneren Teil 2 und äußeren Teil 1 der äußeren Lagerschale 1, 2, 3 in
nicht näher
dargestellter Weise auf beiden mess schichtseitigen Oberflächen jeweils
des inneren Teils 2 und des äußeren Teils 1 eine
Profilierung mit bekannten mechanischen Verfahren gezielt hineinstrukturiert
wurde.
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Zum Zweiten unterscheidet sich das
in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel
darin, dass die kraftsensitive Messschicht 3 lediglich
in lokalen Bereichen zwischen dem inneren Lagerschalenteil 2 und dem äußeren Lagerschalenteil 1 angeordnet
ist, und die lokalen kraftsensitiven Messschichtbereiche jeweils
seitlich durch Isolationslagen 7 eingefasst sind, derart,
dass die Isolationslagen zusammen mit den Messschichtbereichen eine
ebenmäßige Schicht
bilden. Die separierten Messschichtbereiche können mit entsprechenden Dünnschichtelektroden
einzeln ausgewertet werden. Es kann auch eine geeignete Abstufung
der Einzelwiderstände
der verschiedenen Messbereiche vorgenommen werden, welche in einer
Parallelschaltung ausgewertet werden können.
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Die Isolationsschicht ist elektrisch
isolierend und hergestellt aus einer Auswahl der Materialien Titandioxid,
Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder einem diamantartigen
Isolationsmaterial (DLC), das unter dem Handelsnamen SICON® bekannt
ist, hergestellt sein.
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Zum Dritten ist auf den äußeren Lagerschalenteil 1 auf
der der Messschicht abgewandten Oberfläche eine Isolationsschicht 8 aufgebracht.
Diese Isolationsschicht kann auch als Isolationskörper ausgeführt sein.
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Die lediglich lokale Aufbringung
von Messschichtbereichen hat den Vorteil, eine sehr dünne Messschicht zu
realisieren, die gleichzeitig hart, elastisch und verschleißfest ist
und deren Dicke für
die produktionstechnisch besonders geeignete Schrumpfmontage angepasst
werden kann.
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3 zeigt
einen Detailquerschnitt durch den äußeren Lagerschalenteil 1,
den inneren Lagerschalenteil 2, welcher in Wälzkontakt
zu den Wälzkörpern 4 steht,
sowie die zwischen dem äußeren und
dem inneren Lagerschalenteil befindliche Messschicht 3.
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Dargestellt ist insbesondere die
Formgebung der messseitigen Oberflächen der Lagerschalenteile 1 und 2 sowie
der Messschicht 3. Durch entsprechende Formgebung des Lagerschalenteils 2 mit
der darauf befindlichen kraftsensitiven Messschicht 3 und
komplementärer
Formgebung des äußeren Lagerschalenteils 1 werden
Ausformungen 3a gebildet, welche aus der Richtung der Krafteinwirkung
konvex bzw. erhaben sind und dabei verschiedene Formgebung haben
können,
bevorzugter Weise – und
hier dargestellt – von
annähernd
quadratischer oder rechteckiger Querschnittsfläche und/oder Grundriss sowie
mit abgerundeter Querschnittsfläche
und/oder rechteckigem oder rundem Grundriss. Es wird dadurch vorteilhafter
Weise erreicht, dass eine Relativbewegung der beiden Teile der geteilten
Lagerschale verhindert wird.
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In einer weiteren Ausführungsvariante,
wie sie in 3a dargestellt
ist, wird eine Profilierung durch Ausformungen der Oberfläche nur
bei dem Teil 2 der geteilten Lagerschale 1, 2, 3 vorgenommen, wobei
das Teil 1 der geteilten Lagerschale 1, 2, 3 eine glatte
Oberfläche
erhält.
Es entstehen dadurch definierte Auflageflächen 3a. In diesem
Fall kann die Auflage- bzw.
Kontaktfläche
variiert werden, so dass sich ein besonders günstiger Empfindlichkeitsbereich
der Messschicht erzielen lässt.
Dies ist besonders vorteilhaft hinsichtlich des Umstandes, dass
eine diamantartige Kraftmessschicht nicht linearen, sondern exponentiellen
Charakter hat. Ferner können
integrierte Schaltkreise, deren Verwendung im Rahmen dieser Erfindung
vorgeschlagen wird, besonders vorteilhaft in den Bereichen zwischen
den definierten Auflageflächen 3a angeordnet
werden.
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Durch eine gezielte Verteilung solcher
Ausformungen, etwa durch Bildung lokaler Häufungen an der Oberfläche des
Lagerschalenteils kann auf diese Weise die Druckempfindlichkeit
der Messschicht für bestimmte
Teile der Lagerschale bereits bei deren Herstellung exakt eingestellt
werden. Dadurch kann rechentechnischer Aufwand bei der Auswertung
solcher Signale reduziert werden.
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4 zeigt
einen Detailquerschnitt aus innerem Lagerschalenteil 2,
einer angrenzenden Zwischenschicht 10, welche im vorliegenden
Fall als Haftschicht dient, jedoch weitere Funktionen, wie z.B.
die einer Elektrode im Falle keramischer Lager mit isolierenden
Lagerschalen, ebenso einnehmen kann, der kraftsensitiven Messschicht 3 und
darauf angeordneten, elektrisch mit der kraftsensitiven Haftschicht
in Verbindung stehenden Kontakten 9. Die elektrischen Kontakte 9 sind
außerhalb
ihrer Kontaktierungsfläche,
in diesem Beispiel seitlich und von oben, gegenüber weiteren Vorrichtungselementen und
gegeneinander durch die Isolationsschicht 8, die aus den
gleichen Materialien wie die Isolationslagen 7 bestehen
kann, elektrisch isoliert.
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Diese Elektroden 9 können beispielsweise die
in 5
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dargestellten Formen annehmen. In 5 ist in Draufsicht ein
Abschnitt der kraftsensitiven Messschicht 3 dargestellt.
Darauf aufgebracht sind verschiedene Formen von Elektroden 9.
Diese können
als lokal aufgebrachte, elektrisch leitfähige Schichten oder Flachkörper ausgeführt sein,
etwa von ovalem, quadratischem, rechteckigem Grundriss oder auch
selbst als für
die Messung besonders vorteilhaft geführte Leiterbahn realisiert
sein (Darstellung in der Skizze von links nach rechts).
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Die Elektroden dienen zur Messung
des in der kraftsensitiven Messschicht entstehenden elektrischen
Widerstandes als Funktion der auf die Lagerschale und damit auf
die kraftsensitive Messschicht einwirkenden Kraft. Über die
in 5 gestrichelt angedeuteten
Leiterbahnen werden die in den Elektroden entstehenden Messsignale
vom Äußeren der Messschicht
her zugänglich
gemacht. Die Elektroden und elektrisch damit verbundenen Leiterbahnen
sind gegen Masse und gegeneinander in der vorbeschriebenen Weise
elektrisch isoliert. Mehrere Elektroden zur Messung des kraftabhängigen elektrischen
Widerstandes sind dabei so räumlich
zueinander angeordnet, dass der elektrische Widerstand eines Teilbereiches
der Messschicht, welcher eine Grenzfläche mit der jeweiligen Elektrode
bildet, sehr klein ist gegenüber
dem Widerstand eines Teilbereiches der Messschicht, der jeweils
zwischen zwei benachbarten Elektroden entstehen würde.
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Da der Messstrom äußerst klein sein kann, etwa
irn Größenbereich
einiger μA,
können
die elektrischen Dünnschichtleitungen
sehr schmal (etwa 1 μm
Breite) und sehr dünn
(etwa 10 nm Dicke) ausgeführt
werden.
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Das Aufbringen der Leiterbahnen und/oder der
elektri schen Kontakte kann dabei durch die bekannten Methoden der
Beschichtungstechnik und/oder der Laserstrukturierung und/oder der
fotolithografischen Methoden erfolgen.
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Zur Herstellung der lokalen Messschichtbereiche 3,
welche seitliche durch Isolationslagen 7 eingefasst sind,
wie in 2 dargestellt,
ist es einerseits möglich,
zunächst
lokal kraftsensitive Messschichtbereiche auf die Oberfläche eines
Lagerschalenteils 1 und/oder 2 aufzubringen und diese gleichzeitig oder
danach mit Isolationslagen 7 zu umgeben; denkbar ist auch
die umgekehrte Reihenfolge, zuerst Isolationslagen 7 lokal
aufzubringen und zwischen diesen Messschichtbereiche 3 aufzubringen.
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Für
sämtliche
Formen der kraftsensorischen Messschicht können diamantartige kraftsensorische Schichten
oder metalldotierte diamantartige kraftsensorische Schichten verwendet
werden. Zur Herstellung kommen beispielsweise ARC-, Sputter- und Gasflussverfahren,
sowie Plasma-CVD-Verfahren in Betracht. Bezüglich möglicher Schichtmaterialien
für die
kraftsensitive Messschicht wird ausdrücklich auf die
DE 199 54 164 A1 verwiesen,
in welcher eine Fülle
von Materialien für
die Verwendung angegeben ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen
wird lediglich auf diese veröffentlichte
Anmeldung Bezug genommen, deren sämtliche Einzelheiten in Bezug
auf das Material in die vorliegende Anmeldung inkorporiert werden
soll.