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EP1664709A1 - Data capture system and processing system for a roller bearing and roller bearing provided with said type of system - Google Patents

Data capture system and processing system for a roller bearing and roller bearing provided with said type of system

Info

Publication number
EP1664709A1
EP1664709A1 EP04786801A EP04786801A EP1664709A1 EP 1664709 A1 EP1664709 A1 EP 1664709A1 EP 04786801 A EP04786801 A EP 04786801A EP 04786801 A EP04786801 A EP 04786801A EP 1664709 A1 EP1664709 A1 EP 1664709A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
processing system
data acquisition
carrier material
data processing
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04786801A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sven Gempper
Alfred Pecher
Joachim Hering
Henry Van Der Knokke
Walter Felber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Publication of EP1664709A1 publication Critical patent/EP1664709A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0014—Force sensors associated with a bearing by using capacitive sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/008—Identification means, e.g. markings, RFID-tags; Data transfer means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/189—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components characterised by the use of a flexible or folded printed circuit

Definitions

  • the invention relates to a data acquisition and processing system for a rolling bearing according to the preamble of claim 1 and a rolling bearing with such a system
  • DE 101 36 438 A1 discloses a sensor arrangement in a roller bearing which is suitable for determining physical variables during the movement of a component mounted in the roller bearing.
  • the forces and moments acting on the bearing shells of the rolling bearing are detected by determining mechanical stresses or other physical reactions of the bearing shells to these forces and moments using sensor elements and electronic components attached to the bearing shells.
  • the sensor elements are designed as strain gauges, which are preferably in a groove on the circumference of the fixed Bearing shell are attached, the latter can be constructed as an inner or outer bearing shell of a rolling bearing.
  • the strain gauges can be deposited over an insulation layer on a metallic intermediate carrier, e.g. be applied to a plate.
  • a metallic intermediate carrier e.g. be applied to a plate.
  • Another carrier material designed as a circuit carrier surrounds the above-mentioned intermediate carrier with the strain gauges and serves to hold electronic components and conductor tracks. To fasten the intermediate carrier and the circuit carrier to the bearing shell, these are pressed or welded into the groove of the same.
  • strain gauges can be applied to the metallic intermediate carrier in the form of an axially and tangentially measuring full or half-bridge circuit.
  • this document discloses that the electronic components are used for signal evaluation and signal transmission to further measuring points or other evaluation circuits or to a connector.
  • the signal transmission in this known measuring bearing can take place serially via a digital or an analog bus system, which is arranged, for example, in a motor vehicle.
  • this known measuring bearing has a comparatively high and advantageous degree of integration due to the arrangement of sensor elements and electronic components in the groove of the bearing ring, a relatively wide groove is required for this construction.
  • the groove in such a bearing ring should be kept as small as possible to avoid component weakening, the implementation of the arrangement known from DE 101 36 438 A1 into a marketable product is less likely.
  • the technical problem described occurs particularly in the case of axially very narrow roller bearings.
  • a measuring bearing is known from the not previously published DE 103 04 592 A1 by the applicant, in which the strain gauges, the electrical Conductors and / or the electronic components are sputtered directly onto the surface of the recess in the bearing ring or onto the silicon dioxide layer.
  • the structure of the measuring bearing according to the latter brings clear advantages over the prior art mentioned at the outset in terms of the compactness of a measuring data acquisition and processing system designed on a rolling bearing, but there is a need for an even more cost-effectively produced variant.
  • the preparation of the surface for attaching the system to a bearing ring is complex and expensive, since it has to be carried out precisely and cleanly.
  • the object of the invention is to present a measurement data acquisition and processing system for a roller bearing and a measurement roller bearing in this regard, which has a compact structure and can be produced cost-effectively.
  • the preparation and mounting of the sensor arrangement on the bearing are to be simplified.
  • the invention relates to a measurement data acquisition and processing system for a roller bearing, in which at least one sensor element, conductor tracks and electronic components are arranged adjacent to a flexible carrier material.
  • Sensor elements are, for example, the known strain gauges with conductors, for example made of nickel-chromium, and further separately manufactured and known resistance elements or conductor tracks made of copper, which according to an embodiment of the invention are in the form of a resistance bridge are connected.
  • Such resistance bridges can also be applied directly to the flexible carrier material on strip-shaped flexible carrier objects.
  • Another embodiment of the invention provides one or more capacitors as sensor elements.
  • the basic structure of these sensors is similar to that of a plate capacitor.
  • Conductor surfaces or metal foils applied over a large area to the carrier material are separated from one another as “capacitor plates” by the flexible carrier material as a dielectric.
  • capacitor plates Conductor surfaces or metal foils applied over a large area to the carrier material are separated from one another as “capacitor plates” by the flexible carrier material as a dielectric.
  • several surfaces / foils or capacitors are connected in series.
  • the conductor surfaces on one side of the carrier material can be deformed at least partially elastically by the influences to be detected from the roller bearing in the direction of the opposite surfaces / foils to such an extent that the distance between the opposing surfaces / foils and thus the capacity of the / the capacitor / capacitors changed.
  • the influences from the rolling bearing are, for example, elastic deformations of a bearing ring from the rolling contact of the rolling elements with the bearing ring.
  • the elastic deformations of the ring are transferred to the elastic surfaces of the capacitor, so that the change in capacitance is an evaluation criterion for the elastic deformation in the bearing ring.
  • the elastically deforming surface of the roller bearing component forms the one plate of the capacitor, which is then connected on one side of the carrier material to the carrier material, for example via a very thin and elastic layer of adhesive.
  • One or more of the plates of the capacitor are then arranged in the form of the conductor surfaces or foils on the other side of the correspondingly thin and elastic carrier material.
  • Through-contacts through the carrier material are not necessary if capacitors are used as sensor elements.
  • the sensor elements, the conductor tracks and the electronic components are connected to the flexible carrier material on the side facing away from the rolling bearing component - that is to say directly above, but preferably below. This is not previously known from DE 103 04 592 A1, since in this case the strain gauges are applied to an insulation substrate which is applied directly to a rolling bearing component.
  • the invention offers a number of advantages over this prior art. Thanks to the structure described, the measurement data acquisition and processing system including all sensor elements can be completely manufactured in a protected environment and then connected to the respective rolling bearing. This makes it possible to check the functionality of the measurement data acquisition and processing system even before it is connected to the rolling bearing, to make changes to it or to stop using it as a so-called scrap. In addition, since the sensor elements are not applied directly to the surface of the rolling bearing component, no expensive preparations for this surface are required.
  • Another advantage is that if there is a detachable connection between a rolling bearing component and the measurement data acquisition and processing system, this can be easily removed in the event of a defect and replaced by a functional copy without the rolling bearing having to be laboriously processed. This is particularly important for large rolling bearings.
  • This exchange copy can, for example, also be one with which other measurements can be carried out.
  • the application of sensor elements, conductor tracks and electronic components on a carrier material lying flat on a support is significantly cheaper than such production steps on curved surfaces, so that, with improved functionality compared to the prior art, manufacturing costs can be saved.
  • the sensor elements are fastened on the underside, and the conductor tracks and the electronic components are fastened on the upper side of the flexible carrier material.
  • the electronic components and the conductor tracks are arranged on the underside and the sensor elements on the top of the carrier material.
  • the sensor elements To forward the deformation-related changes in resistance determined by the sensor elements, these are connected via contacting elements either by means of through-contacting elements to the conductor tracks arranged on the opposite side of the flexible carrier material, or to adjacent electronic components by means of conductor surfaces / banners.
  • the through-contacting elements are preferably formed and aligned perpendicular to the longitudinal and transverse extension of the flexible carrier material.
  • the sensor elements are preferably attached to that side of the flexible carrier material which points to the surface of the rolling bearing component on which the data acquisition and processing system is arranged.
  • the flexible carrier material which preferably consists of a film or of a plurality of films lying one above the other.
  • This foil or foils can consist of a plastic or a thin and flexible metal foil.
  • the film is made from modern materials such as ceramics. If a plastic is used, a polyimide is preferred.
  • the sensor elements, the conductor tracks and the electronic components are preferably applied to the flexible carrier material by means of a screen printing process, by vapor deposition or by deposition of conductor, semiconductor and / or insulation materials.
  • the special form of sticking on separately manufactured sensor elements on the flexible carrier material have already been mentioned.
  • the sensor elements, the conductor tracks and / or the electronic components are each formed on a separate flexible carrier material which are connected to one another to form a common flexible carrier material.
  • these electronic components can be designed as discrete components such as resistors, capacitors and the like.
  • these electronic components can also be designed as a microprocessor or as a complete microcomputer. It is important, however, that an input stage consisting of at least one amplifier is connected to the sensor elements.
  • the flexible carrier material is largely thin and flexible, it can be provided according to another development of the invention that the flexible carrier material has greater mechanical rigidity in the area of the amplifier, a microprocessor or microcomputer than in neighboring areas. This can be done, for example, through thicker substrate material at this point or reinforcement of the substrate material through material application or the like. be realized.
  • the sensor elements are glued to the flexible carrier material, it can be provided according to another embodiment of the invention that an adhesive for attaching the sensor elements is applied to the flexible carrier material and is covered with a protective film before the sensor elements are attached. This procedure is useful, for example, if the measurement data acquisition and processing system is to be designed to be variable in such a way that, depending on the application, differently shaped sensor elements should be used for measurement purposes.
  • This insulation layer can consist of a solder resist or is formed by the adhesive with which the system is attached to the rolling bearing component.
  • a further embodiment of the invention provides that the electrical and electronic components as well as the insulation layers and the flexible carrier material but also the sensor elements at least partially consist or are constructed of conductive, semiconducting and / or insulating poly seas.
  • the measurement data acquisition and processing system according to the invention is advantageously used on a roller bearing, the measurement data acquisition and processing system being fastened in a recess or in a circumferential groove, or on a groove-free or recess-free ring surface on one of two roller bearing components, which include rolling elements between them , Such rolling bearing components are known to be the inner ring and the outer ring of a rolling bearing.
  • the measurement data acquisition and processing system according to the invention is also advantageously used on linear bearings.
  • the data acquisition and processing system is secured in a recess or groove on a rolling bearing component, it is recommended to cover it with a potting material if permanent and unchanged use of such a measuring roller bearing is sensible and desired.
  • the measurement data acquisition and processing system is advantageously fastened on the outside of a housing flange, on the inner wall of which rolling elements roll.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an inventive measurement data acquisition and processing system with a strain gauge
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a roller bearing outer ring with a measurement data acquisition and processing system with resistance bridges made of copper and built into a circumferential groove
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through an inventive measurement data acquisition and processing system with a capacitor.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a data acquisition and processing system 1 designed according to the invention, the central component of which is a flexible carrier material 2 designed as a film.
  • a flexible carrier material 2 designed as a film.
  • the underside of the flexible carrier material 2 is defined as the side that points on the fastening side in the direction of the rolling bearing component on which the data acquisition and processing system is arranged.
  • the data acquisition and processing system (s) is / are arranged, for example, on an inner circumference or outer circumference or on the end face of one or more inner or outer bearing rings or the like.
  • an insulation material 8 which in this example consists of a solder resist or adhesive.
  • conductor tracks 4 Arranged on the opposite upper side of the carrier material 2 are conductor tracks 4, electronic individual components 5 and a microcomputer 6, the individual electronic components 5, for example electrical resistors, capacitors, etc. could be.
  • These conductor tracks 4, electronic components 5 and microcomputers 6 are applied to the carrier material 2 using one or various manufacturing technologies, the vapor deposition and / or application of conductor and semiconductor and / or insulation materials preferably being carried out photolithographically but also alternatively by means of screen printing.
  • the electrical and electronic components as well as the insulation layers and the flexible carrier material consist or are made of polyesters.
  • FIG. 1 also shows, in particular the conductor tracks 4 on the top of the flexible carrier material 2 are also covered with an insulation material 8.
  • electrical contact points 7 are formed at various points on the flexible carrier material 2, which serve as connection or soldering support points for establishing an electrical connection between the electronic components 5 or the connection points of the microcomputer 6 with the conductor tracks 4.
  • through-contact elements 13 are arranged in the same at suitable points, which extend essentially perpendicular to the longitudinal and transverse extension of the flexible carrier material 2.
  • via elements are, for example, electrical conductors made of copper, with which the connection is plated through.
  • a measurement data acquisition and processing system 1 constructed in this way can be attached to a rolling bearing in a comparatively simple manner.
  • 2 shows in an exemplary embodiment of the invention that such a measurement data acquisition and processing system 1 is inserted into a circumferential groove 12 of a roller bearing outer ring 9 and is fastened to an adhesive layer 10 applied to the groove bottom.
  • this adhesive 10 can just as well be applied to the underside of the flexible carrier material 2 covering the strain gauges before the start of installation.
  • the sensor element 19 is formed from resistance bridges 14 with copper conductors instead of the strain gauges 3.
  • the data acquisition and processing system 1 on the flexible carrier material 2 is arranged on the outer circumference of the bearing outer ring 9 in such a way that the resistance bridges 14jn point in the direction of the rolling elements of the rolling bearing, not shown here.
  • FIG. 2 shows that in this exemplary embodiment the measurement data acquisition and processing system 1 is covered with a casting compound 11 which protects against mechanical and electrical influences.
  • FIG. 3 shows a data acquisition and processing system 15, the sensor element 19 of which is formed by a plate capacitor 16.
  • a plate capacitor 16 For this purpose, two series-connected capacitor plates in the form of conductor surfaces 17 are arranged on the upper side of the carrier material 2, which are relatively rigid.
  • a further plate-shaped conductor surface 18 is fixed on the underside of the carrier material 2 facing the bearing, not shown.
  • the conductor surface 18, like the carrier material 2 made of polyimide, is designed in a film-like and elastic manner, so that deformations from the bearing ring are passed on to the carrier material through the conductor surface 18 and the capacitance of the plate capacitor via the distance between the conductor surfaces 17 and the conductor surface 18 which is changed as a result 16 can be influenced as a measured value.
  • An amplifier 20 is connected to the plate capacitor 16. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a data capture system and to a processing system (1) for a roller bearing, wherein at least one sensor element (19), conductor strips (4) and electronic components (5, 6) are arranged adjacent to a flexible carrier material (2). The sensor element (19), the conductor strips (4) and the electronic components (5, 6) are directly connected to the flexible carrier material (2) such that said type of data capture system and data processing system (1) can be produced in an economical manner and with varying applications.

Description

Bezeichnung der Erfindung Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager und Wälzlager mit einem solchen System Name of the invention Data acquisition and processing system for a rolling bearing and rolling bearing with such a system
Beschreibung Gebiet der ErfindungDescription Field of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Wälzlager mit einem solchen SystemThe invention relates to a data acquisition and processing system for a rolling bearing according to the preamble of claim 1 and a rolling bearing with such a system
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Aus der DE 101 36 438 A1 ist eine Sensoranordnung in einem Wälzlager bekannt, die zur Ermittlung physikalischer Größen während der Bewegung eines im Wälzlager gelagerten Bauteils geeignet ist. Bei dieser Sensoranordnung werden die auf die Lagerschalen des Wälzlagers wirkenden Kräfte und Momente dadurch erfasst, dass mechanische Spannungen oder sonstigen physikali- sehen Reaktionen der Lagerschalen auf diese Kräfte und Momente mit an den Lagerschalen angebrachten Sensorelementen und Elektronikbausteinen festgestellt werden. Die Sensorelemente sind dabei als Dehnungsmesswiderstände ausgebildet, die vorzugsweise in einer Nut am Umfang der feststehenden Lagerschale befestigt sind, wobei letztere als innere oder äußere Lagerschale eines Wälzlagers aufgebildet sein kann.DE 101 36 438 A1 discloses a sensor arrangement in a roller bearing which is suitable for determining physical variables during the movement of a component mounted in the roller bearing. In this sensor arrangement, the forces and moments acting on the bearing shells of the rolling bearing are detected by determining mechanical stresses or other physical reactions of the bearing shells to these forces and moments using sensor elements and electronic components attached to the bearing shells. The sensor elements are designed as strain gauges, which are preferably in a groove on the circumference of the fixed Bearing shell are attached, the latter can be constructed as an inner or outer bearing shell of a rolling bearing.
Gemäß dieser Druckschrift können die Dehnungsmesswiderstände über eine Isolationsschicht auf einem metallischen Zwischenträger wie z.B. einem Plättchen aufgebracht sein. Ein weiteres als Schaltungsträger ausgebildetes Trägermaterial umgibt den genannten Zwischenträger mit den Dehnungsmesswiderständen und dient zur Aufnahme von elektronischen Bausteinen und Leiterbahnen. Zur Befestigung des Zwischenträgers und des Schaltungsträgers an der Lagerschale sind diese in die Nut derselben eingepresst oder eingeschweißt.According to this document, the strain gauges can be deposited over an insulation layer on a metallic intermediate carrier, e.g. be applied to a plate. Another carrier material designed as a circuit carrier surrounds the above-mentioned intermediate carrier with the strain gauges and serves to hold electronic components and conductor tracks. To fasten the intermediate carrier and the circuit carrier to the bearing shell, these are pressed or welded into the groove of the same.
Darüber hinaus ist aus dieser DE 101 36 438 A1 bekannt, dass die Dehnungsmesswiderstände auf dem metallischen Zwischenträger in Form einer axial und tangential messenden Voll- oder Halbbrückenschaltung aufgebracht sein können. Zudem offenbart diese Druckschrift, dass mit den elektronischen Bausteinen eine Signalauswertung und Signalübertragung zu weiteren Messstellen oder anderen Auswerteschaltungen bzw. zu einem Anschlussstecker erfolgt. Die Signalübertragung bei diesem bekannten Messlager kann dabei seriell über einen Digital- oder einen Analogbussystem erfolgen, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.Furthermore, it is known from DE 101 36 438 A1 that the strain gauges can be applied to the metallic intermediate carrier in the form of an axially and tangentially measuring full or half-bridge circuit. In addition, this document discloses that the electronic components are used for signal evaluation and signal transmission to further measuring points or other evaluation circuits or to a connector. The signal transmission in this known measuring bearing can take place serially via a digital or an analog bus system, which is arranged, for example, in a motor vehicle.
Dieses bekannte Messlager weist aufgrund der Anordnung von Sensorelementen und elektronischen Bausteinen in der Nut des Lagerringes zwar einen ver- gleichsweise hohen und vorteilhaften Integrationsgrad auf, jedoch wird für diesen Aufbau eine relativ breite Nut benötigt. Da die Nut in einem solchen Lagerring zur Vermeidung einer Bauteilschwächung jedoch möglichst klein gehalten werden soll, ist die Umsetzung der aus der DE 101 36 438 A1 bekannten Anordnung in ein marktreifes Produkt weniger wahrscheinlich. Das geschilderte technische Problem tritt insbesondere bei axial sehr schmalen Wälzlagern auf.Although this known measuring bearing has a comparatively high and advantageous degree of integration due to the arrangement of sensor elements and electronic components in the groove of the bearing ring, a relatively wide groove is required for this construction. However, since the groove in such a bearing ring should be kept as small as possible to avoid component weakening, the implementation of the arrangement known from DE 101 36 438 A1 into a marketable product is less likely. The technical problem described occurs particularly in the case of axially very narrow roller bearings.
Außerdem ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 103 04 592 A1 der Anmelderin ein Messlager bekannt, bei dem die Dehnungsmessstreifen, die elektrischen Leiter und/oder die elektronischen Bausteine direkt auf die Oberfläche der Aussparung des Lagerringes oder auf die Siliziumdioxidschicht aufgesputtert sind.In addition, a measuring bearing is known from the not previously published DE 103 04 592 A1 by the applicant, in which the strain gauges, the electrical Conductors and / or the electronic components are sputtered directly onto the surface of the recess in the bearing ring or onto the silicon dioxide layer.
Der Aufbau des Messlagers gemäß der letztgenannten nicht vorveröffentlichten DE 103 04 592 A1 bringt gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik zwar deutliche Vorteile hinsichtlich der Kompaktheit eines an einem Wälzlager ausgebildeten Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems, es besteht aber ein Bedarf an einer noch kostengünstiger herstellbaren Variante. So ist zum Beispiel die Vorbereitung der Oberfläche zum Befestigen des Systems an einem Lagerring aufwendig und teuer, da diese genau und sauber ausgeführt sein muss.The structure of the measuring bearing according to the latter, not previously published DE 103 04 592 A1, brings clear advantages over the prior art mentioned at the outset in terms of the compactness of a measuring data acquisition and processing system designed on a rolling bearing, but there is a need for an even more cost-effectively produced variant. For example, the preparation of the surface for attaching the system to a bearing ring is complex and expensive, since it has to be carried out precisely and cleanly.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung darin, ein Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager sowie ein diesbezügliches Messwälzlager vorzustellen, das einen kompakten Aufbau hat und kostengünstig herstellbar ist. Es sind insbesondere die Vorbereitung und die Befestigung der Sensoranordnung auf dem Lager zu vereinfachen.Against this background, the object of the invention is to present a measurement data acquisition and processing system for a roller bearing and a measurement roller bearing in this regard, which has a compact structure and can be produced cost-effectively. In particular, the preparation and mounting of the sensor arrangement on the bearing are to be simplified.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.This object is achieved from the features of the main claim and from the features of the dependent claims.
Demnach betrifft die Erfindung ein Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem für ein Wälzlager, bei dem wenigstens ein Sensorelement, Leiterbahnen und elektronische Bauteile benachbart zu einem flexiblen Trägermaterial angeordnet sind.Accordingly, the invention relates to a measurement data acquisition and processing system for a roller bearing, in which at least one sensor element, conductor tracks and electronic components are arranged adjacent to a flexible carrier material.
Sensorelemente sind zum Beispiel die bekannten Dehnungsmessstreifen mit Leitern z.B. aus Nickel-Chrom und weitere gesondert hergestellte und an sich bekannte Widerstandselemente oder Leiterbahnen aus Kupfer, die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung im Sinne einer Widerstandbrücke miteinander verschaltet sind. Solche Widerstandsbrücken können auf streifenförmigen flexiblen Trägerobjekten aber auch direkt auf das flexible Trägermaterial aufgetragen sein.Sensor elements are, for example, the known strain gauges with conductors, for example made of nickel-chromium, and further separately manufactured and known resistance elements or conductor tracks made of copper, which according to an embodiment of the invention are in the form of a resistance bridge are connected. Such resistance bridges can also be applied directly to the flexible carrier material on strip-shaped flexible carrier objects.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen oder mehrere Kondensatoren als Sensorelemente vor. Der Grundaufbau dieser Sensoren gleicht dem Aufbau eines Plattenkondensators. Großflächig auf das Trägermaterial aufgebrachte Leiterflächen oder Metallfolien sind als „Kondensatorplatten" sind durch das flexible Trägermaterial als Dielektrikum voneinander getrennt. Dabei sind auch alternativ mehrere Flächen/Folien oder Kondensatoren in Reihe geschaltet.Another embodiment of the invention provides one or more capacitors as sensor elements. The basic structure of these sensors is similar to that of a plate capacitor. Conductor surfaces or metal foils applied over a large area to the carrier material are separated from one another as “capacitor plates” by the flexible carrier material as a dielectric. Alternatively, several surfaces / foils or capacitors are connected in series.
Die Leiterflächen auf der einen Seite des Trägermaterials sind zumindest partiell elastisch durch die zu erfassenden Einflüsse aus dem Wälzlager in Rich- tung der gegenüberliegenden Flächen/Folien soweit verformbar, dass sich der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen/Folien und sich damit die Kapazität des/der Kondensators/Kondensatoren verändert. Die Einflüsse aus dem Wälzlager sind beispielsweise elastische Verformungen eines Lagerringes aus dem Wälzkontakt der Wälzkörper mit dem Lagerring. Die elas- tischen Verformungen des Ringes übertragen sich auf die elastischen Flächen des Kondensators, so dass die Änderung der Kapazität ein Bewertungskriterium für die elastische Verformung in dem Lagerring ist.The conductor surfaces on one side of the carrier material can be deformed at least partially elastically by the influences to be detected from the roller bearing in the direction of the opposite surfaces / foils to such an extent that the distance between the opposing surfaces / foils and thus the capacity of the / the capacitor / capacitors changed. The influences from the rolling bearing are, for example, elastic deformations of a bearing ring from the rolling contact of the rolling elements with the bearing ring. The elastic deformations of the ring are transferred to the elastic surfaces of the capacitor, so that the change in capacitance is an evaluation criterion for the elastic deformation in the bearing ring.
Alternativ bildet die sich elastisch verformende Oberfläche des Wälzlagerbau- teiles die eine Platte des Kondensators, die dann auf der einen Seite des Trägermaterials mit dem Trägermaterial, beispielsweise über eine sehr dünne und elastische Schicht aus Kleber, verbunden ist. Auf der anderen Seite des entsprechend dünn und elastisch ausgeführten Trägermaterials ist dann eine oder sind dann mehrere der Platten des Kondensators in Form der Leiterflächen oder Folien angeordnet. Durchkontaktierungen durch das Trägermaterial sind im Falle der Verwendung von Kondensatoren als Sensorelemente nicht erforderlich. Die Sensorelemente, die Leiterbahnen und die elektronischen Bauteile sind mit dem flexiblen Trägermaterial an der von dem Wälzlagerbauteil abgewandten Seite - also oben, vorzugsweise aber unten direkt verbunden. Dies ist aus der DE 103 04 592 A1 nicht vorbekannt, da bei dieser die Dehnungsmessstreifen auf einem Isolationssubstrat aufgebracht sind, welches direkt auf einem Wälzlagerbauteil aufgebracht ist.Alternatively, the elastically deforming surface of the roller bearing component forms the one plate of the capacitor, which is then connected on one side of the carrier material to the carrier material, for example via a very thin and elastic layer of adhesive. One or more of the plates of the capacitor are then arranged in the form of the conductor surfaces or foils on the other side of the correspondingly thin and elastic carrier material. Through-contacts through the carrier material are not necessary if capacitors are used as sensor elements. The sensor elements, the conductor tracks and the electronic components are connected to the flexible carrier material on the side facing away from the rolling bearing component - that is to say directly above, but preferably below. This is not previously known from DE 103 04 592 A1, since in this case the strain gauges are applied to an insulation substrate which is applied directly to a rolling bearing component.
Gegenüber diesem Stand der Technik bietet die Erfindung eine Reihe von Vorteilen. So kann durch den geschilderten Aufbau das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem samt aller Sensorelemente in geschützter Umgebung komplett hergestellt und anschließend mit dem jeweiligen Wälzlager verbunden werden. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems schon vor der Verbindung mit dem Wälzlager zu überprüfen, daran Änderungen vorzunehmen oder dieses als sogenannten Ausschuss nicht weiter zu verwenden. Außerdem sind, da die Sensorelemente nicht direkt auf der Oberfläche des Wälzlagerbauteiles aufgebracht sind, keine kostenaufwendigen Vorbereitungen dieser Oberfläche erforderlich.The invention offers a number of advantages over this prior art. Thanks to the structure described, the measurement data acquisition and processing system including all sensor elements can be completely manufactured in a protected environment and then connected to the respective rolling bearing. This makes it possible to check the functionality of the measurement data acquisition and processing system even before it is connected to the rolling bearing, to make changes to it or to stop using it as a so-called scrap. In addition, since the sensor elements are not applied directly to the surface of the rolling bearing component, no expensive preparations for this surface are required.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer lösbaren Verbindung zwischen einem Wälzlagerbauteil und dem Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystems dieses bei einem Defekt leicht entfernt und durch ein funktionsfähiges Exemplar ausgetauscht werden kann, ohne dass dazu das Wälzlager aufwendig bearbeitet werden muss. Dies ist besonders bei großen Wälzlagern von wirtschaftlicher Bedeutung. Dieses Austauschexemplar kann beispielsweise auch ein solches sein, mit dem andere Messungen durchführbar sind.Another advantage is that if there is a detachable connection between a rolling bearing component and the measurement data acquisition and processing system, this can be easily removed in the event of a defect and replaced by a functional copy without the rolling bearing having to be laboriously processed. This is particularly important for large rolling bearings. This exchange copy can, for example, also be one with which other measurements can be carried out.
Als weiterer Vorteil soll erwähnt werden, dass das Aufbringen von Sensorelementen, Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen auf einem flach auf einer Unterlage liegenden Trägermaterial deutlich kostengünstiger ist als derartige Produktionsschritte auf gekrümmten Oberflächen, so dass sich bei verbesserter Funktionalität gegenüber dem Stand der Technik Herstellkosten einsparen lassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorelemente auf der Unterseite, und die Leiterbahnen sowie die elektronischen Bauteile auf der Oberseite des flexiblen Trägermaterials befestigt sind. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die elektronischen Bauteile sowie die Leiterbahnen auf der Unterseite und die Sensorelemente auf der Oberseite des Trägermaterials angeordnet sind.As a further advantage, it should be mentioned that the application of sensor elements, conductor tracks and electronic components on a carrier material lying flat on a support is significantly cheaper than such production steps on curved surfaces, so that, with improved functionality compared to the prior art, manufacturing costs can be saved. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the sensor elements are fastened on the underside, and the conductor tracks and the electronic components are fastened on the upper side of the flexible carrier material. As an alternative to this, it is provided that the electronic components and the conductor tracks are arranged on the underside and the sensor elements on the top of the carrier material.
Zur Weiterleitung der von den Sensorelementen ermittelten verformungsbe- dingten Widerstandsänderungen sind diese über Kontaktierungselemente signaltechnisch entweder mittels Durchkontaktierungselementen mit den auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Trägermaterials angeordneten Leiterbahnen verbunden, oder zu benachbarten elektronischen Bausteinen mittels Leiterflächen/Banen verbunden. Die Durchkontaktierungselemente sind vor- zugsweise senkrecht zur Längs- und Quererstreckung des flexiblen Trägermaterials in demselben ausgebildet und ausgerichtet.To forward the deformation-related changes in resistance determined by the sensor elements, these are connected via contacting elements either by means of through-contacting elements to the conductor tracks arranged on the opposite side of the flexible carrier material, or to adjacent electronic components by means of conductor surfaces / banners. The through-contacting elements are preferably formed and aligned perpendicular to the longitudinal and transverse extension of the flexible carrier material.
Die Sensorelemente sind bevorzugt derjenigen Seite des flexiblen Trägermaterials befestigt, die auf die Oberfläche desjenigen Wälzlagerbauteils zuweist, an dem das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem angeordnet ist.The sensor elements are preferably attached to that side of the flexible carrier material which points to the surface of the rolling bearing component on which the data acquisition and processing system is arranged.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Ausbildung des flexiblen Trägermaterials, welches vorzugsweise aus einer Folie oder aus mehreren überein- anderliegenden Folien besteht. Diese Folie beziehungsweise Folien können dabei aus einem Kunststoff oder einer dünnen und biegsamen Metallfolie bestehen. Alternativ dazu ist die Folie aus modernen Werkstoffen, wie Keramik, hergestellt. Sofern ein Kunststoff zur Anwendung gelangt, wird ein Polyimid bevorzugt.Another aspect of the invention relates to the formation of the flexible carrier material, which preferably consists of a film or of a plurality of films lying one above the other. This foil or foils can consist of a plastic or a thin and flexible metal foil. Alternatively, the film is made from modern materials such as ceramics. If a plastic is used, a polyimide is preferred.
Das Aufbringen der Sensorelemente, der Leiterbahnen und der elektronischen Bauteile auf das flexible Trägermaterial erfolgt vorzugsweise mittels eines Siebdruckverfahrens, durch Aufdampfen oder durch Abscheiden von Leiter-, Halbleiter- und/oder Isolationsmaterialien. Die Sonderform des Aufklebens von separat gefertigten Sensorelementen auf das flexible Trägermaterial wurde ja schon erwähnt.The sensor elements, the conductor tracks and the electronic components are preferably applied to the flexible carrier material by means of a screen printing process, by vapor deposition or by deposition of conductor, semiconductor and / or insulation materials. The special form of sticking on separately manufactured sensor elements on the flexible carrier material have already been mentioned.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Sensorelemente, die Leiterbah- nen und/oder die elektronischen Bauteile jeweils auf einem separaten flexiblen Trägermaterial ausgebildet sind, die zu einem gemeinsamen flexiblen Trägermaterial miteinander verbunden sind.In addition, it is also possible that the sensor elements, the conductor tracks and / or the electronic components are each formed on a separate flexible carrier material which are connected to one another to form a common flexible carrier material.
Mit Bezug auf die Definition der elektronischen Bauteile soll nicht unerwähnt bleiben, dass diese als diskrete Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und ähnliches ausgebildet sein können. Darüber hinaus können diese elektronischen Bauteile auch als Mikroprozessor oder als kompletter Mikrocomputer ausgebildet sein. Wichtig ist jedoch, dass zunächst eine Eingangsstufe aus mindestens einem Verstärker mit den Sensorelementen verbunden ist.With regard to the definition of the electronic components, it should not go unmentioned that these can be designed as discrete components such as resistors, capacitors and the like. In addition, these electronic components can also be designed as a microprocessor or as a complete microcomputer. It is important, however, that an input stage consisting of at least one amplifier is connected to the sensor elements.
Sofern das flexible Trägermaterial weitgehend dünn und flexibel ausgebildet ist, kann nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das flexible Trägermaterial im Bereich des Verstärkers, eines Mikroprozessors oder Mikrocomputers eine größer mechanische Steifigkeit aufweist als in be- nachbarten Bereichen. Dies kann beispielsweise durch an dieser Stelle dickeres Trägermaterial oder eine Verstärkung des Trägermaterials durch Materialauftrag o.a. realisiert sein.If the flexible carrier material is largely thin and flexible, it can be provided according to another development of the invention that the flexible carrier material has greater mechanical rigidity in the area of the amplifier, a microprocessor or microcomputer than in neighboring areas. This can be done, for example, through thicker substrate material at this point or reinforcement of the substrate material through material application or the like. be realized.
Sofern die Sensorelemente auf dem flexiblen Trägermaterial aufgeklebt sind, kann gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass auf dem flexiblen Trägermaterial ein Klebstoff zur Befestigung der Sensorelemente aufgetragen und vor dem Anbringen der Sensorelemente mit einer Schutzfolie abgedeckt ist. Diese Vorgehensweise ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem derart variabel ausgebildet sein soll, dass je nach Anwendungsfall unterschiedlich geformte Sensorelemente messtechnisch zur Anwendung gelangen sollten.If the sensor elements are glued to the flexible carrier material, it can be provided according to another embodiment of the invention that an adhesive for attaching the sensor elements is applied to the flexible carrier material and is covered with a protective film before the sensor elements are attached. This procedure is useful, for example, if the measurement data acquisition and processing system is to be designed to be variable in such a way that, depending on the application, differently shaped sensor elements should be used for measurement purposes.
Zudem ist es sinnvoll die Oberfläche der Sensorelemente und der Leiterbahnen mit einer elektrischen Isolationsschicht abzudecken. Diese Isolationsschicht kann aus einem Lötstopplack bestehen oder ist durch den Klebstoff gebildet, mit dem das System am Wälzlagerbauteil befestigt ist.In addition, it makes sense to have the surface of the sensor elements and the conductor tracks covered with an electrical insulation layer. This insulation layer can consist of a solder resist or is formed by the adhesive with which the system is attached to the rolling bearing component.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrischen und elektronischen Bauteile sowie die Isolationsschichten und das flexible Trägermaterial aber auch die Sensorelemente zumindest teilweise aus leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Polymeeren bestehen oder aufgebaut sind.A further embodiment of the invention provides that the electrical and electronic components as well as the insulation layers and the flexible carrier material but also the sensor elements at least partially consist or are constructed of conductive, semiconducting and / or insulating poly seas.
Das erfindungsgemäße Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem wird mit Vorteil an einem Wälzlager genutzt, wobei das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem in einer Aussparung beziehungsweise in einer Umfangs- nut, oder an einer nutlosen beziehungsweise aussparungslosen Ringfläche an einem von zwei Wälzlagerbauteilen befestigt ist, welche Wälzkörper zwischen sich einschließen. Derartige Wälzlagerbauteile sind bekanntermaßen der Innenring und der Außenring eines Wälzlagers. Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem auch an Linearlagern eingesetzt.The measurement data acquisition and processing system according to the invention is advantageously used on a roller bearing, the measurement data acquisition and processing system being fastened in a recess or in a circumferential groove, or on a groove-free or recess-free ring surface on one of two roller bearing components, which include rolling elements between them , Such rolling bearing components are known to be the inner ring and the outer ring of a rolling bearing. The measurement data acquisition and processing system according to the invention is also advantageously used on linear bearings.
Sofern das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem in einer Aussparung oder Nut an einem Wälzlagerbauteil befestigt ist, wird empfohlen dieses mit einem Vergussmaterial abzudecken, wenn eine dauerhafte und unveränderte Nutzung eines solchen Messwälzlagers sinnvoll und gewünscht ist.If the data acquisition and processing system is secured in a recess or groove on a rolling bearing component, it is recommended to cover it with a potting material if permanent and unchanged use of such a measuring roller bearing is sensible and desired.
Schließlich sei erwähnt, dass das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit Vorteil auf der Außenseite eines Gehäuseflansches befestigt ist, an dessen Innenwand Wälzkörper abrollen.Finally, it should be mentioned that the measurement data acquisition and processing system is advantageously fastened on the outside of a housing flange, on the inner wall of which rolling elements roll.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung lässt sich anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutern. Es zeigen:The invention can be explained in more detail using exemplary embodiments. It demonstrate:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungs- System mit einem Dehnmessstreifen,FIG. 1 shows a schematic cross section through an inventive measurement data acquisition and processing system with a strain gauge,
Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Wälzlageraußenring mit einem in eine Umfangsnut eingebauten Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit Widerstands- brücken aus Kupfer undFIG. 2 shows a schematic cross section through a roller bearing outer ring with a measurement data acquisition and processing system with resistance bridges made of copper and built into a circumferential groove
Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem mit einem Kondensator.FIG. 3 shows a schematic cross section through an inventive measurement data acquisition and processing system with a capacitor.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die Darstellung in Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 , dessen zentrales Bauteil ein als Folie ausgebildetes flexibles Trägermaterial 2 ist. An der Unterseite dieses Trägermaterials 2 befinden sich als Sensorele- rrtFsntfi 19 angeordnete nfihnnng.qmfiRRRtreiffin 3, die in diesem Fall in die Ebene der Darstellung hinein, aber alternativ auch in beliebige Richtungen ausge- richtet sind und die in diesem konkreten Ausführungsbeispiel photolithographisch aber auch alternativ mittels Siebdruck aufgetragen sind. Als Unterseite des flexiblen Trägermaterials 2 ist diejenige Seite definiert, die befestigungssei- tig in Richtung des Wälzlagerbauteiles, an dem das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem angeordnet ist, weist. Dabei ist/sind das/die Datenerfas- sungs- und Verarbeitungssystem(e) beispielsweise an einem Innenumfang oder Außenumfang bzw. stirnseitig eines oder mehrerer innerer oder äußerer Lagerringe o.a. angeordnet. Zudem ist in Fig. 1 deutlich erkennbar, dass die freien Oberflächen der Dehnmessstreifen 3 mit einem Isolationsmaterial 8 abgedeckt sind, welches in diesem Beispiel aus einem Lötstopplack oder Kleber besteht.The illustration in FIG. 1 shows a schematic cross section through a data acquisition and processing system 1 designed according to the invention, the central component of which is a flexible carrier material 2 designed as a film. On the underside of this carrier material 2 there are nfihnnng.qmfiRRRTreiffin 3 arranged as sensor elements 19, which in this case are oriented into the plane of the illustration, but alternatively are also oriented in any direction and which in this specific exemplary embodiment are photolithographically but also alternatively are applied by means of screen printing. The underside of the flexible carrier material 2 is defined as the side that points on the fastening side in the direction of the rolling bearing component on which the data acquisition and processing system is arranged. In this case, the data acquisition and processing system (s) is / are arranged, for example, on an inner circumference or outer circumference or on the end face of one or more inner or outer bearing rings or the like. In addition, it can be clearly seen in FIG. 1 that the free surfaces of the strain gauges 3 are covered with an insulation material 8, which in this example consists of a solder resist or adhesive.
Auf der gegenüberliegenden Oberseite des Trägermaterials 2 sind Leiterbahnen 4, elektronische Einzelbauteile 5 sowie ein Mikrocomputer 6 angeordnet, wobei die einzelnen elektronischen Bauteile 5 beispielsweise elektrische Widerstände, Kondensatoren u.a. sein können. Diese Leiterbahnen 4, Elektronikbauteile 5 und Mikrocomputer 6 sind mit einer oder verschienen Herstelltechno- logien auf das Trägermaterial 2 aufgebracht, wobei das Aufdampfen und/oder Aufbringen von Leiter- und Halbleiter- und/oder Isolationsmaterialien bevorzugt photolithographisch aber auch alternativ mittels Siebdruck vorgenommen wird.Arranged on the opposite upper side of the carrier material 2 are conductor tracks 4, electronic individual components 5 and a microcomputer 6, the individual electronic components 5, for example electrical resistors, capacitors, etc. could be. These conductor tracks 4, electronic components 5 and microcomputers 6 are applied to the carrier material 2 using one or various manufacturing technologies, the vapor deposition and / or application of conductor and semiconductor and / or insulation materials preferably being carried out photolithographically but also alternatively by means of screen printing.
Nicht ausgeschlossen wird in diesem Zusammenhang ausdrücklich, dass die elektrischen und elektronischen Bauteile sowie die Isolationsschichten und das flexible Trägermaterial aus Polymeeren bestehen oder aufgebaut sind.In this context, it is not expressly excluded that the electrical and electronic components as well as the insulation layers and the flexible carrier material consist or are made of polyesters.
Wie Fig. 1 außerdem zeigt, sind insbesondere die Leiterbahnen 4 an der Oberseite des flexiblen Trägermaterials 2 ebenfalls mit einem Isolationsmaterial 8 abgedeckt. Zudem sind an verschienenen Stellen auf dem flexiblen Trägermaterial 2 elektrische Kontaktstellen 7 ausgebildet, die als Verbindungs- beziehungsweise Lötstützpunkte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den elektronischen Bauteilen 5 beziehungsweise den Anschlussstellen des Mikrocomputers 6 mit den Leiterbahnen 4 dienen.As FIG. 1 also shows, in particular the conductor tracks 4 on the top of the flexible carrier material 2 are also covered with an insulation material 8. In addition, electrical contact points 7 are formed at various points on the flexible carrier material 2, which serve as connection or soldering support points for establishing an electrical connection between the electronic components 5 or the connection points of the microcomputer 6 with the conductor tracks 4.
Zur elektrischen Verbindung der Dehnungsmessstreifen 8 und zumindest einigen der Leiterbahnen 4 auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Trägermaterials 2 sind in demselben an geeigneten Stellen sogenannte Durchkon- taktierungselemente 13 angeordnet, die sich im wesentlichen senkrecht zur Längs- und Quererstreckung des flexiblen Trägermaterials 2 erstrecken. Derartige Durchkontaktierungselemente sind zum Beispiel elektrische Leiter aus Kupfer, mit denen die Verbindung durchkontaktiert ist. Ein solchermaßen aufgebautes Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 lässt sich vergleichsweise einfach an einem Wälzlager befestigen. Fig. 2 zeigt dazu in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, dass ein solches Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 in eine Umfangsnut 12 ei- nes Wälzlageraußenringes 9 eingesetzt und auf einer am Nutboden aufgebrachte Klebstoffschicht 10 befestigt ist. Dieser Klebstoff 10 kann aber ebenso gut vor Montagebeginn auch an der Unterseite des flexiblen Trägermaterials 2 die Dehnungsmessstreifen überdeckend aufgetragen sein.For the electrical connection of the strain gauges 8 and at least some of the conductor tracks 4 on the opposite side of the flexible carrier material 2, so-called through-contact elements 13 are arranged in the same at suitable points, which extend essentially perpendicular to the longitudinal and transverse extension of the flexible carrier material 2. Such via elements are, for example, electrical conductors made of copper, with which the connection is plated through. A measurement data acquisition and processing system 1 constructed in this way can be attached to a rolling bearing in a comparatively simple manner. 2 shows in an exemplary embodiment of the invention that such a measurement data acquisition and processing system 1 is inserted into a circumferential groove 12 of a roller bearing outer ring 9 and is fastened to an adhesive layer 10 applied to the groove bottom. However, this adhesive 10 can just as well be applied to the underside of the flexible carrier material 2 covering the strain gauges before the start of installation.
Alternativ zu der Darstellung nach Figur 1 , ist das Sensorelement 19 aus Widerstandsbrücken 14 mit Leitern aus Kupfer anstelle der Dehnmessstreifen 3 gebildet. Das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 auf dem flexiblen Trägermaterial 2 ist dabei am Außenumfang des Lageraußenrings 9 so angeordnet, dass die Widerstandsbrücken 14jn Richtung zu den hier nicht darge- stellten Wälzkörpern des Wälzlagers weisen.As an alternative to the illustration according to FIG. 1, the sensor element 19 is formed from resistance bridges 14 with copper conductors instead of the strain gauges 3. The data acquisition and processing system 1 on the flexible carrier material 2 is arranged on the outer circumference of the bearing outer ring 9 in such a way that the resistance bridges 14jn point in the direction of the rolling elements of the rolling bearing, not shown here.
Schließlich zeigt Fig. 2, dass in diesem Ausführungsbeispiel das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem 1 mit einer vor mechanischen und elektrischen Einflüssen schützenden Vergussmasse 11 abgedeckt ist.Finally, FIG. 2 shows that in this exemplary embodiment the measurement data acquisition and processing system 1 is covered with a casting compound 11 which protects against mechanical and electrical influences.
Figur 3 zeigt ein Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem 15, dessen Sensorelement 19 durch einen Plattenkondensator 16 gebildet ist. An der Oberseite des Trägermaterials 2 sind dazu zwei in Reihe geschaltete Kondensatorplatten in Form von Leiterflächen 17 angeordnet, die relativ starr ausgebildet sind. An der zu dem nicht dargestellten Lager hingewandten Unterseite des Trägermaterials 2 ist eine weitere plattenartig ausgebildete Leiterfläche 18 fest. Die Leiterfläche 18 ist, wie auch das Trägermaterial 2 aus Polyimid folienartig und elastisch ausgebildet, so dass Verformungen aus dem Lagerring durch die Leiterfläche 18 an das Trägermaterial weitergeben werden und über den dadurch veränderten Abstand zwischen den Leiterflächen 17 und der Leiterfläche 18 die Kapazität des Plattenkondensators 16 als Messwert beeinflussbar ist. An mit dem Plattenkondensator 16 ist ein Verstärker 20 verbunden. BezugszeichenlisteFIG. 3 shows a data acquisition and processing system 15, the sensor element 19 of which is formed by a plate capacitor 16. For this purpose, two series-connected capacitor plates in the form of conductor surfaces 17 are arranged on the upper side of the carrier material 2, which are relatively rigid. A further plate-shaped conductor surface 18 is fixed on the underside of the carrier material 2 facing the bearing, not shown. The conductor surface 18, like the carrier material 2 made of polyimide, is designed in a film-like and elastic manner, so that deformations from the bearing ring are passed on to the carrier material through the conductor surface 18 and the capacitance of the plate capacitor via the distance between the conductor surfaces 17 and the conductor surface 18 which is changed as a result 16 can be influenced as a measured value. An amplifier 20 is connected to the plate capacitor 16. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem Trägermaterial Dehnungsmessstreifen Leiterbahn Elektronisches Bauteil Mikrocomputer Kontaktstelle zur Leiterbahn Isolationsschicht Lageraußenring Klebmaterial Vergussmaterial Nut im Lageraußenring Kontaktierungselement Widerstandsbrücke Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem Platttenkondensator Leiterfläche Leiterfläche Sensorelement Verstärker Data acquisition and data processing system Carrier material Strain gauges Conductor Electronic component Microcomputer Contact point to the conductor Insulation layer Bearing outer ring Adhesive material Potting material Groove in the outer bearing ring Contacting element Resistance bridge Data acquisition and data processing system Plate capacitor Conductor surface Conductor surface Sensor element Amplifier

Claims

Patentansprüche claims
1. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem (1 ) für ein Wälzlager, bei dem wenigstens ein Sensorelement (19), Leiterbahnen (4) und elektronische Bauteile (5, 6) benachbart zu einem flexiblen Trägermaterial (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19), die Leiterbahnen (4) und die elektronische Bauteile (5, 6) mit dem flexiblen Trägermaterial (2) direkt verbunden sind.1. Data acquisition and data processing system (1) for a roller bearing, in which at least one sensor element (19), conductor tracks (4) and electronic components (5, 6) are arranged adjacent to a flexible carrier material (2), characterized in that Sensor element (19), the conductor tracks (4) and the electronic components (5, 6) are directly connected to the flexible carrier material (2).
2. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) auf der Untersei- te und die Leiterbahnen (4) sowie die elektronischen Bauteile (5) auf der Oberseite des flexiblen Trägermaterials (2) befestigt sind.2. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the sensor element (19) on the underside and the conductor tracks (4) and the electronic components (5) on the top of the flexible carrier material (2) are attached.
3. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) sowie die elektroni- sehen Bauteile (5) auf der Unterseite und das Sensorelement (19) auf der Oberseite des flexiblen Trägermaterials (2) befestigt sind.3. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the conductor tracks (4) and the electronic components (5) on the underside and the sensor element (19) on the top of the flexible carrier material (2) are attached.
4. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) wenigstens ein Dehnungsmessstreifen (3) ist. 4. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the sensor element (19) is at least one strain gauge (3).
5. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) ein Kondensator (16) mit wenigstens zwei sich einander gegenüberliegenden und dabei durch das flexible Trägermaterial (2) voneinander getrennten plattenartig ausgebildeten Leiterflächen (17, 18) ist, wobei das Trägermaterial (2) ein Dielektrikum zwischen den Leiterflächen (17, 18) ist.5. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the sensor element (19) is a capacitor (16) with at least two mutually opposite and thereby by the flexible carrier material (2) separated from one another plate-shaped conductor surfaces (17, 18) , wherein the carrier material (2) is a dielectric between the conductor surfaces (17, 18).
6. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leiterflächen (18) auf einer Seite des Trägermaterials (2) wenigstens partiell elastisch in Richtung einer der gegenüberliegenden Leiterflächen (17) auf der anderen Seite des Trägermaterials (2) verformbar ist.6. Data acquisition and data processing system according to claim 5, characterized in that at least one of the conductor surfaces (18) on one side of the carrier material (2) at least partially elastically in the direction of one of the opposite conductor surfaces (17) on the other side of the carrier material (2) is deformable.
7. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , da- durch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) wenigstens eine zumindest teilweise elastisch dehnbare Widerstandsbrücke mit mindestens einem Leiter aus Kupfer ist.7. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the sensor element (19) is at least one at least partially elastically stretchable resistance bridge with at least one conductor made of copper.
8. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 ,2, 3, 4, 5, 6, oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) mit den Leiterbahnen (4) über Kontaktierungselemente (13) signaltechnisch verbunden ist, wobei die Kontaktierungselemente (13) im wesentlichen senkrecht zur Längs- und Quererstreckung des flexiblen Trägermaterials (2) in demselben ausgebildet und ausgerichtet sind oder flächen- artig angeordnet sind.8. Data acquisition and data processing system according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, characterized in that the sensor element (19) with the conductor tracks (4) via signaling elements (13) is connected by signaling, the contacting elements (13) are formed and aligned essentially perpendicular to the longitudinal and transverse extension of the flexible carrier material (2) or are arranged in a planar manner.
9. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) auf derjenigen Seite des flexiblen Trägermaterials (2) befestigt ist, die im montiertem Zustand auf die Oberfläche desjenigen Wälzlagerbauteils (9) zuweist, an dem das Messdatenerfassungsund Verarbeitungssystem (1) angeordnet ist. 9. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (19) is fastened on that side of the flexible carrier material (2) which, in the assembled state, points to the surface of that roller bearing component (9) to which the measurement data acquisition and processing system (1) is arranged.
10. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) auf derjenigen Seite des flexiblen Trägermaterials (2) befestigt ist, die im montiertem Zustand auf die Oberfläche desjeni- gen Wälzlagerbauteils zuweist, an dem das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem (1) mittels Klebmaterial (10) fest ist.10. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (19) is fastened on that side of the flexible carrier material (2) which, in the assembled state, points to the surface of the rolling bearing component on which the Measurement data acquisition and processing system (1) by means of adhesive material (10) is fixed.
11. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Trägermaterial (2) aus einer Folie oder aus mehreren übereinan- derliegenden Folien besteht.11. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flexible carrier material (2) consists of one film or of a plurality of films lying one on top of the other.
12. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Trägermaterial (2) aus einem Kunststoff oder einer dünnen und biegsamen Metallfolie besteht.12. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the flexible carrier material (2) consists of a plastic or a thin and flexible metal foil.
13. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyimid ist.13. Data acquisition and data processing system according to claim 12, characterized in that the plastic is a polyimide.
14. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Trägermaterial (2) aus Keramik ist.14. Data acquisition and data processing system according to claim 1, characterized in that the flexible carrier material (2) is made of ceramic.
15. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens ei- nem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19), die Leiterbahnen (4) und die elektronischen Bauteile (5, 6) auf dem flexiblen Trägermaterial (2) mittels eines Siebdruckverfahrens, durch Aufdampfen oder Abscheiden von Isolator-, Leiterund/oder Halbleitermaterialien gebildet sind. 15. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (19), the conductor tracks (4) and the electronic components (5, 6) on the flexible carrier material (2) by means of a screen printing process, are formed by vapor deposition or deposition of insulator, conductor and / or semiconductor materials.
16. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19), die Leiterbahnen (4) und/oder die elektronischen Bauteile (5) jeweils auf separaten flexiblen Trägermaterialien ausgebildet sind, die zu einem gemeinsamen flexiblen Trägermaterial (2) miteinander verbunden sind.16. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (19), the conductor tracks (4) and / or the electronic components (5) are each formed on separate flexible carrier materials which form a common flexible Carrier material (2) are interconnected.
17. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass we- nigstens eines der elektronischen Bauteile (5) ein Verstärker (20) ist.17. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one of the electronic components (5) is an amplifier (20).
18. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Trägermaterial (2) zumindest im Bereich des Verstärkers (20) ei- ne größer mechanische Steifigkeit aufweist.18. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flexible carrier material (2) has a greater mechanical rigidity, at least in the region of the amplifier (20).
19. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) auf dem flexiblen Trägermaterial (2) aufgeklebt ist.19. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (19) is glued to the flexible carrier material (2).
20. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem flexiblen Trägermaterial (2) ein Klebmaterial (10) zur Befestigung des Sensorelements (19) aufgetragen und vor dem Anbringen des Sen- sorelements (19) mit einer abziehbaren Schutzfolie abgedeckt ist.20. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that an adhesive material (10) for fastening the sensor element (19) is applied to the flexible carrier material (2) and with a before the attachment of the sensor element (19) removable protective film is covered.
21. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorelements (19) und der Leiterbahnen (4) mit einer elektrischen Isolationsschicht (8) abgedeckt ist. 21. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the sensor element (19) and the conductor tracks (4) is covered with an electrical insulation layer (8).
22. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorelements (19) und der Leiterbahnen (4) mit einer elektrischen Isolationsschicht (8) abgedeckt ist und dass die Isolations- schicht (8) ein Lötstopplack ist.22. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the sensor element (19) and the conductor tracks (4) is covered with an electrical insulation layer (8) and that the insulation layer (8) is a solder resist is.
23. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorelements (19) und der Leiterbahnen (4) mit einer elektrischen Isolationsschicht (8) abgedeckt ist und dass die Isolationsschicht (8) ein Klebmaterial (10) ist, wobei das Klebmaterial (10) an derjenigen Seite des flexiblen Trägermaterials (2) aufgetragen ist, die im montiertem Zustand auf die Oberfläche desjenigen Wälzlagerbauteils (9) zuweist, an dem das Messdatenerfassungs- und Verarbeitungssystem (1 ) mittels des Klebmaterials (10) fest ist.23. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface of the sensor element (19) and the conductor tracks (4) is covered with an electrical insulation layer (8) and that the insulation layer (8) is an adhesive material (10 ), the adhesive material (10) being applied to that side of the flexible carrier material (2) which, in the assembled state, points to the surface of the roller bearing component (9) on which the measurement data acquisition and processing system (1) by means of the adhesive material (10 ) is solid.
24. Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die e- lektrischen und elektronischen Bauteile sowie die Isolationsschichten und das flexible Trägermaterial (2) sowie das Sensorelement (19) zumindest teilweise aus elektrisch isolierenden, halbleitenden und/oder leitenden Polymeeren bestehen oder aufgebaut sind.24. Data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrical and electronic components and the insulation layers and the flexible carrier material (2) and the sensor element (19) are at least partially made of electrically insulating, semiconducting and / or conductive poly seas exist or are built up.
25. Wälzlager mit einem Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem (1) in wenigstens einer Aussparung beziehungsweise einer Umfangsnut (12), oder an einer nutlosen beziehungsweise aussparungslosen Fläche wenigstens eines Wälzlagerbauteiles (9) befestigt ist, wobei das Wälzla- gerbauteil (9) sowie mindestens ein weiteres Wälzlagerbauteil Wälzkörper zwischen sich einschließen. 25. Rolling bearing with a data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition and processing system (1) in at least one recess or a circumferential groove (12), or on a grooveless or recessless surface of at least one rolling bearing component ( 9) is fastened, the rolling bearing component (9) and at least one further rolling bearing component enclosing rolling elements between them.
26. Wälzlager mit einem Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem (1) in wenigstens einer Aussparung beziehungsweise einer Umfangsnut (12), oder an einer nutlosen beziehungsweise aussparungslosen Fläche wenigstens an der Außenseite eines Lageraußenringes (9) befestigt ist.26. Rolling bearing with a data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition and processing system (1) in at least one recess or a circumferential groove (12), or on a grooveless or recessless surface at least on the outside a bearing outer ring (9) is attached.
27. Wälzlager mit einem Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Datenerfassungs- und Datenverarbeitungssystem (1) mit einem isolierenden Vergussmaterial (11) abgedeckt ist. 27. Rolling bearing with a data acquisition and data processing system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition and data processing system (1) is covered with an insulating potting material (11).
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