[发明专利]传感式机械部件

说明书

一种机械功能部件，包括至少一个传感器，其被配置为将一个或多个物理量值转换为电传感器信号，所述传感器包括直接沉积在机械功能部件上的电活性复合材料和直接沉积在电活性复合材料一部分上的至少一个导电电极。

技术领域

本发明涉及为机械部件配备一个或多个传感器，并且更具体地涉及为机械功能部件(例如滚动轴承的一些部分)配备一个或多个传感器及其可选的接口。

背景技术

本发明适用于诸如轴、齿轮、滑动轴承和滚动轴承之类的机械部件。滚动轴承包括内圈、外圈以及安装在这两个圈之间的多个滚动元件或滚动体。这些滚动元件可以是球体、滚子或滚针，通常它们通过保持架保持位置。滚动轴承可以是例如滚珠轴承、滚柱轴承或滚针轴承。

为了在滚动轴承和其他机械功能部件的领域中进行状态监测，已知的是将一个或多个传感器连接到机械部件，从而测量一个或多个物理参数并将这些物理参数转换成电信号。对于状态监测，力和振动都是有意义的。通常应变传感器用于测量力，并且在进一步的信号处理之后还可测量载荷。加速度传感器通常用于测量振动。仍有改进的余地。

发明内容

本发明的目的是限定牢固地整合到一结构的换能器/传感器，所述结构是机械功能部件。

根据本发明，上述目的通过一种组件(传感式组件)来实现，所述组件包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被布置成将一个或多个物理量值转换为电传感信号。所述组件还包括至少一个机械功能部件。所述至少一个机械功能部件具有与所述至少一个机械功能部件的功能有关的一个或多个第一表面区域以及另外还包括一个或多个第二表面区域。根据本发明，所述至少一个传感器包括至少两个层。具有电活性复合材料的第一层直接沉积在一个或多个第二表面区域中的至少一个的全部或部分上。具有至少一个导电电极的第二层直接沉积在电活性复合材料的一部分上。

在至少一个传感器的制造过程中，电活性复合材料适当地经受电极化。优选地，电活性复合材料是液体基体和亚微米或纳米颗粒的混合物。在一些实施例中，液体基体是具有高介电特性的聚氨酯。亚微米或纳米颗粒适合为铁电颗粒，优选是钛酸钡颗粒。适当地，导电电极可以是压阻复合材料，其优选包含导电颗粒的聚合物基体。在一些实施例中，至少一个导电电极被设计为多槽谐振贴片天线(multislot resonating patch antenna)。

根据实际应用和要被监测的一个或多个物理量的部件，机械功能部件可以是轴、齿轮或轴承。如果是轴承，那么机械功能部件可以是滑动轴承的一部分或滚动轴承的一部分。如果其是滑动轴承的一部分，那么该部分可以是外圈或内圈。如果其是滚动轴承的一部分，那么该部分可以是外圈、内圈或保持架。

只要没有将相互矛盾的增强/特征/替代方案相结合，根据上述发明的组件的不同附加增强/特征/替代方案可以以任何期望的方式组合。

本发明的主要目的是提供一种能够将传感器/换能器直接整合或者直接形成到机械功能部件上的手段。根据本发明，通过将电活性复合材料直接沉积/打印到机械功能部件上并且通过将至少一个导电电极直接沉积/打印在电活性复合材料的一部分上，从而形成整合/成为机械功能部件的一部分。

所述解决方案具有经济上和许多技术上的优势。用于应变或振动测量的换能器可以牢固地整合到一结构(机械功能部件)上。该解决方案的这种能力解决了整合问题，并允许在物理现象发生的地方添加换能材料。这样可以提高测量的信噪比，与传统方法(如将传感器粘贴或焊接到元件)相比，具有更高的灵敏度。

由于极化是压电材料的关键，因此可以使用具有极化方向的电极设计来获得传感器特性的改进或形成特定的传感器特性。举例说明这一点，设想一个单一的环形压电层应用于滚动轴承的侧面。导电材料的附加层可以与压电层组合形成振动传感器或应变传感器。可以与电极表面垂直或相切(平行)地施加极化，以便在轴向或径向轴承方向上具有压电系数。