DE102018107571A1 - Magnetic field sensor arrangement and arrangement for measuring a torque and method for producing the magnetic field sensor arrangement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Magnetfeldsensoranordnung (03) zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01) unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement (01) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Magnetfeldsensoranordnung (03) umfasst mindestens zwei Magnetfeldsensoren (07) zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes. Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren (07) jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement (01) umfänglich zu umschließen. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01), wobei die Anordnung die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung (03) umfasst. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung (03). The present invention initially relates to a magnetic field sensor arrangement (03) for measuring a torque on a machine element (01) extending in an axis using the inverse-magnetostrictive effect. The machine element (01) has at least two magnetization areas for magnetization extending circumferentially around the axis. The magnetic field sensor arrangement (03) comprises at least two magnetic field sensors (07) for measuring a differential magnetic field caused by the magnetization and by the torque. According to the invention, the magnetic field sensors (07) each extend circumferentially around the axis in order to enclose the machine element (01) circumferentially. The invention further relates to an arrangement for measuring a torque on a machine element (01) extending in an axis, the arrangement comprising the magnetic field sensor arrangement (03) according to the invention. A further subject of the invention is a method for producing the magnetic field sensor arrangement (03) according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Magnetfeldsensoranordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei die Anordnung die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung umfasst. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung.The present invention initially relates to a magnetic field sensor arrangement for measuring a torque on a machine element extending in an axis using the inverse magnetostrictive effect. Furthermore, the invention relates to an arrangement for measuring a torque on a machine element extending in an axis, wherein the arrangement comprises the magnetic field sensor arrangement according to the invention. A further subject of the invention is a method for producing the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
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In dem Artikel von Michael Melzer et al. (Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden): „Ultra-Flexible, Stretchable and Printed GMR Sensors“, 14th Symposium „Magnetoresistive Sensors and Magnetic Systems“ 21.-22. März 2017, Wetzlar sind Technologien zur Anordnung von GMR-Sensoren auf hochflexiblen PET-Folien beschrieben.In the article by Michael Melzer et al. (Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden): "Ultra-Flexible, Stretchable and Printed GMR Sensors", 14 th Symposium "Magnetoresistive Sensors and Magnetic Systems" 21.-22. March 2017, Wetzlar technologies for the arrangement of GMR sensors on highly flexible PET films are described.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, rotationsbedingte Fehler bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Drehmomenten zu minimieren. Bei diesen rotationsbedingten Fehlern handelt es sich insbesondere um einen so genannten RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniformity-Fehler), der eine winkelabhängige Signalschwankung eines Sensoroffsets darstellt und durch grundsätzlich vorhandene Toleranzen der Magnetisierung, Schwankungen in der Oberflächengüte und mechanische Toleranzen, wie beispielsweise einer Parallelität und Rundheit einer Welle, sowie Toleranzen von Abständen von Sekundärsensoren zum Primärsensor bedingt ist. Bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung gemäß dem Stand der Technik mit einem Magnetfeldsensorpaar beträgt dieser Fehler bis zu 2,5 %.The object of the present invention, starting from the prior art, is to minimize rotational errors in a measurement of torques based on the inverse magnetostrictive effect. These rotation-related errors are in particular a so-called RSU error (rotation signal error). Uniformity error), which represents an angle-dependent signal fluctuation of a Sensoroffsets and by basically existing tolerances of the magnetization, fluctuations in the surface quality and mechanical tolerances, such as a parallelism and roundness of a shaft, and tolerances of distances from secondary sensors to the primary sensor is conditional. In a measurement based on the inverse magnetostrictive effect according to the prior art with a magnetic field sensor pair, this error is up to 2.5%.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetfeldsensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.Said object is achieved by a magnetic field sensor arrangement according to the attached claim 1 and by an arrangement according to the attached independent claim 9 and by a method according to the attached independent claim 10.
Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Drehmoment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die nachfolgend angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale bzw. umfängliche Richtung sind auf die genannte Achse bezogen. Die Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines Drehmomentes ausgebildet, welches in der Achse liegt, sodass es sich um ein Torsionsmoment handelt, durch welches das Maschinenelement belastet ist. Der Vektor des Drehmomentes liegt in der Achse.The magnetic field sensor arrangement according to the invention is used to measure a torque on a machine element extending in an axis. The torque acts on the machine element, which leads to mechanical stresses and the machine element usually deforms slightly. The axis preferably forms an axis of rotation of the machine element. The following directions, namely the axial direction, the radial direction and the tangential direction are related to the said axis. The arrangement is preferably designed to measure a torque which lies in the axis, so that it is a torsional moment through which the machine element is loaded. The vector of the torque is in the axis.
Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete differenzielle Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens zwei die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche bzw. um zirkuläre Magnetisierungsbereiche. Die Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes.The machine element has at least two magnetization areas extending circumferentially about the axis for a differential magnetization formed in the machine element. It is thus at least two magnetization areas revolving around the axis or circular magnetization areas. The magnetization regions form a primary sensor for determining the torque.
Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt sind die Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Axiale benachbarte der sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt entgegengesetzte Polaritäten auf, d. h. sie besitzen einen entgegengesetzten Umlaufsinn.The magnetization regions preferably have a same spatial extent and are axially spaced apart. Particularly preferably, the magnetization regions are designed in the form of magnetization tracks. Axial adjacent ones of the magnetization regions extending circumferentially around the axis preferably have opposite polarities, i. H. they have an opposite sense of circulation.
Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst weiterhin mindestens zwei Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes bilden. Der Primärsensor dient zur Wandlung des zu messenden Drehmomentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Magnetfeldsensoranordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.The magnetic field sensor arrangement furthermore comprises at least two magnetic field sensors which each form a secondary sensor for determining the torque. The primary sensor is used to convert the torque to be measured in a corresponding magnetic field, while the secondary sensors allow the conversion of this magnetic field into electrical signals. The magnetic field sensors are each designed for the individual measurement of a differential magnetic field caused by the magnetization and by the torque. The said magnetic field occurs due to the inverse magnetostrictive effect. Thus, the measurement possible with the magnetic field sensor arrangement is based on the inverse-magnetostrictive effect.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur Messung des bedingt durch die drehmomentbedingte Oberflächenspannungsänderung aus dem Maschinenelement austretenden Differenzmagnetfeldes angeordnet. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung einer tangential oder/und axial ausgerichteten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes angeordnet.The magnetic field sensors are preferably arranged in each case for measuring the differential magnetic field emerging from the machine element as a result of the torque-related surface tension change. The magnetic field sensors are preferably arranged in each case for the individual measurement of a tangentially or / and axially aligned direction component of the differential magnetic field caused by the magnetization and by the torque.
Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Luftspalt zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist.The magnetic field sensors are arranged opposite the machine element, wherein preferably only a small radial air gap is present between the magnetic field sensors and an inner or outer surface of the machine element.
Das Maschinenelement und die Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Bevorzugt ist das Maschinenelement rotierbar, während die Magnetfeldsensoranordnung ruht.The machine element and the magnetic field sensor arrangement are rotatable relative to each other. Preferably, the machine element is rotatable while the magnetic field sensor arrangement rests.
Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich entlang einer Bahn, welche geeignet ist, das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Diese Bahn ist bevorzugt kreis- oder ellipsenförmig. Diese Bahn ist bevorzugt geschlossen, jedoch kann sie eine kurze Unterbrechung aufweisen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement herum. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils mit einem Mittelpunktswinkel umfänglich um das Maschinenelement herum, welcher bevorzugt mindestens 300° beträgt und weiter bevorzugt nahezu bzw. gleich 360° beträgt. Somit sind die Magnetfeldsensoren umfänglich um das Maschinenelement herum sensitiv, sodass eine Rotation zwischen der Magnetfeldsensoranordnung und dem Maschinenelement das Messergebnis nicht beeinflusst.According to the invention, the magnetic field sensors each extend circumferentially about the axis in order to enclose the machine element circumferentially. The magnetic field sensors extend along a path which is suitable for circumferentially enclosing the machine element. This web is preferably circular or elliptical. This web is preferably closed, but may have a short break. The magnetic field sensors each extend circumferentially around the machine element. The magnetic field sensors each extend circumferentially around the machine element at a midpoint angle, which is preferably at least 300 degrees and more preferably is nearly equal to or equal to 360 degrees. Thus, the magnetic field sensors are circumferentially sensitive around the machine element so that rotation between the magnetic field sensor assembly and the machine element does not affect the measurement result.
Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich bevorzugt entlang einer Kreisbahn um das Maschinenelement, wobei die Kreisbahnen der Magnetfeldsensoren bevorzugt einen gleichen Radius besitzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet.The magnetic field sensors preferably extend along a circular path around the machine element, wherein the circular paths of the magnetic field sensors preferably have a same radius. The Magnetic field sensors are preferably arranged axially spaced from one another.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung besteht darin, dass durch eine veränderte Ausführung der Magnetfeldsensoren der so genannte RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniformity-Fehler) fast vollständig kompensiert werden kann. Querkraftbedingte Magnetfelder haben bei punktueller Magnetfeldmessung ebenfalls Einfluss auf den RSU. Auch dieser auf die Drehmomentmessung bezogene querkraftbedingte Fehler wird durch die Erfindung kompensiert.A particular advantage of the magnetic field sensor arrangement according to the invention is that the so-called RSU error (rotation signal uniformity error) can be almost completely compensated by a modified design of the magnetic field sensors. Shear force induced magnetic fields also have an influence on the RSU in case of selective magnetic field measurement. This transverse force-related error related to the torque measurement is also compensated by the invention.
Der mindestens zwei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt permanent magnetisiert auf dem Maschinenelement vorhanden, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.The at least two magnetization regions are preferably permanently magnetized on the machine element, so that the magnetization is formed by a permanent magnetization.
Die mindestens zwei permanent magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einem Drehmoment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.The at least two permanently magnetized magnetization regions are preferably magnetically neutral in a state of the machine element which is unloaded from a torque outside the magnetization region, so that no technically relevant magnetic field outside the magnetization region can be measured.
Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.The magnetization regions each represent a part of the volume of the machine element. The magnetization regions are preferably each of annular design, wherein the axis of the machine element also forms a central axis of the respective ring shape. Particularly preferably, the magnetization regions each have the shape of a hollow cylinder coaxial with the axis of the machine element.
Das Maschinenelement weist in den Magnetisierungsbereichen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktion auf.The machine element preferably has a high magnetostriction in the magnetization regions.
Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche bevorzugt jeweils ein magnetisch neutraler Bereich angeordnet ist. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen diese bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.The magnetization regions are preferably arranged axially spaced from one another, wherein in each case a magnetically neutral region is preferably arranged between two adjacent ones of the magnetization regions. Insofar as more than two of the magnetization regions are present, they preferably each have an equal distance from one another.
Das Maschinenelement besteht zumindest im Magnetisierungsbereich aus einem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement vollständig aus dem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement aus einem Stahl. Eine auf das Maschinenelement aus einem nicht magnetoelastischen Material aufgepresste Hülse aus magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material ist auch geeignet, solange im Übergangsbereich zwischen den magnetischen Spuren zwischen der Hülse und dem tragenden Maschinenelement ein geeigneter Luftspalt vorhanden ist.At least in the magnetization region, the machine element consists of a magnetostrictive or magnetoelastic material. The machine element preferably consists entirely of the magnetostrictive or magnetoelastic material. Preferably, the machine element consists of a steel. A sleeve of magnetostrictive or magnetoelastic material, which is pressed onto the machine element from a non-magnetoelastic material, is also suitable as long as a suitable air gap is present in the transitional area between the magnetic tracks between the sleeve and the supporting machine element.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.The machine element preferably has the shape of a prism or a cylinder, wherein the prism or the cylinder is arranged coaxially to the axis. The prism or the cylinder is preferably straight. Preferably, the machine element has the shape of a straight circular cylinder, wherein the circular cylinder is arranged coaxially to the axis. In particular embodiments, the prism or the cylinder is conical. The prism or the cylinder can also be hollow.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle oder durch eine Hohlwelle gebildet. Die Welle bzw. die Hohlwelle kann für Belastungen durch unterschiedliche Drehmomente ausgelegt sein.The machine element is preferably formed by a shaft or by a hollow shaft. The shaft or the hollow shaft can be designed for loads due to different torques.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils durch einen magnetoresistiven Sensor oder durch einen Hall-Sensor gebildet. Die magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt jeweils durch einen AMR-Sensor oder durch einen GMR-Sensor gebildet. Die mit den AMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR). Die mit den GMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem riesenmagnetoresistiven Effekt (GMR). Die magnetoresistiven Sensoren können aber auch auf anderen magnetoresistiven Effekten beruhen, sodass sie allgemein als xMR-Sensoren zu bezeichnen sind.In preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention, the magnetic field sensors are each formed by a magnetoresistive sensor or by a Hall sensor. The magnetoresistive sensors are preferably each formed by an AMR sensor or by a GMR sensor. The measurement possible with the AMR sensors is based on the anisotropic magnetoresistive effect (AMR). The measurement possible with the GMR sensors is based on the giant magnetoresistive effect (GMR). The magnetoresistive sensors can also be based on other magnetoresistive effects, so they are generally referred to as xMR sensors.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung weisen die magnetoresistiven Sensoren jeweils eine Barberpol-Struktur auf, die sich umfänglich um die Achse und um das Maschinenelement erstreckt. In dieser Ausführung umfassen die magnetoresistiven Sensoren jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material, auf welchem hochleitende Kurzschlussstreifen aufgebracht sind, die bevorzugt um 45° bzw. -45° zur Streifenlängsrichtung verdreht sind. Die Kurzschlussstreifen bestehen bevorzugt aus Aluminium.In preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention, the magnetoresistive sensors each have a Barberpol structure which extends circumferentially around the axis and around the machine element. In this embodiment, the magnetoresistive sensors each comprise a strip of a magnetoresistive material on which highly conductive shorting strips are applied, which are preferably rotated by 45 ° or -45 ° to the strip longitudinal direction. The shorting strips are preferably made of aluminum.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung umfassen vier der magnetoresistiven Sensoren, die als Vollbrücke elektrisch geschaltet sind. Die vier magnetoresistiven Sensoren sind axial beabstandet angeordnet. Jeweils zwei der vier magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt eine axiale Position wie einer der zwei Magnetisierungsbereiche auf, die entgegengesetzt gepolt sind. Diese beiden einem der Magnetisierungsbereiche zugeordneten magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt zueinander entgegengesetzt ausgerichtete Barberpol-Strukturen auf. Die magnetoresistiven Sensoren weisen jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material auf, wobei die Streifen der vier magnetoresistiven Sensoren parallel zueinander ausgerichtet sind.Preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention comprise four of the magnetoresistive sensors which are electrically connected as a full bridge. The four magnetoresistive sensors are arranged axially spaced. In each case two of the four magnetoresistive sensors preferably have an axial position, such as one of the two magnetization regions, which are oppositely poled. These two magnetoresistive sensors assigned to one of the magnetization regions preferably face one another oppositely oriented Barberpol structures. The magnetoresistive sensors each comprise a strip of magnetoresistive material, the strips of the four magnetoresistive sensors being aligned parallel to each other.
Die vier als Vollbrücke geschalteten magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt an einen elektronischen Instrumentenverstärker elektrisch angeschlossen, welcher zur Brückenspannungsauswertung der Vollbrücke ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Magnetfeldsensoranordnung weist die Brückenspannungsauswertung keinen RSU-Fehler auf.The four full-bridge magnetoresistive sensors are preferably electrically connected to an electronic instrumentation amplifier, which is designed for bridge voltage evaluation of the full bridge. Due to the inventive design of the magnetic field sensor arrangement, the bridge voltage evaluation has no RSU error.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche auf. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position auf, die einer mittleren axialen Position einer der Magnetisierungsbereiche gleicht.The magnetic field sensors preferably each have an axial position such as one of the magnetization regions. The magnetic field sensors preferably each have an axial position, which equals a middle axial position of one of the magnetization regions.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren auf einer flexiblen Folie ausgebildet, durch welche das Maschinenelement umfänglich umschließbar ist. Somit umschließt die flexible Folie das Maschinenelement umfänglich. Die Magnetfeldsensoren sind insbesondere durch eine Drucktechnik und durch Abscheidung auf die Folie aufgebracht. Insofern die Magnetfeldsensoren durch magnetoresistive Sensoren gebildet sind, umfassen diese bevorzugt eine magnetoresistive Schicht, welche auf die Folie abgeschieden oder aufgedruckt ist. Die magnetoresistive Schicht weist bevorzugt eine Streifenform auf. Auf die magnetoresistive Schicht sind bevorzugt hochleitende Kurzschlussstreifen aufgebracht, welche bevorzugt eine Barberpol-Struktur aufweisen. Zum Aufbringen der Kurzschlussstreifen wird bevorzugt ein photolitographisches Verfahren genutzt. Die Folie ist bevorzugt hochflexibel und besteht bevorzugt aus einem Polymer, bevorzugt PET. Die Folie weist eine Dicke auf, die bevorzugt weniger als 10 µm beträgt. Die magnetoresistive Schicht umfasst bevorzugt Kobalt und Kupfer. Die Kurzschlussstreifen umfassen bevorzugt Aluminium. Der elektronische Instrumentenverstärker ist bevorzugt als eine integrierte Halbleiterschaltung ebenfalls auf der Folie angeordnet.In preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention, the magnetic field sensors are formed on a flexible film, by means of which the machine element can be circumferentially enclosed. Thus, the flexible film surrounds the machine element circumferentially. The magnetic field sensors are applied in particular by a printing technique and by deposition on the film. Insofar as the magnetic field sensors are formed by magnetoresistive sensors, these preferably comprise a magnetoresistive layer which is deposited or printed on the film. The magnetoresistive layer preferably has a strip shape. On the magnetoresistive layer preferably highly conductive shorting strips are applied, which preferably have a Barberpol structure. For applying the shorting strips, a photolithographic method is preferably used. The film is preferably highly flexible and preferably consists of a polymer, preferably PET. The film has a thickness which is preferably less than 10 μm. The magnetoresistive layer preferably comprises cobalt and copper. The shorting strips preferably comprise aluminum. The electronic instrumentation amplifier is preferably also arranged on the film as a semiconductor integrated circuit.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung ist auf der Folie weiterhin ein zusätzlicher Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Drehzahl ausgebildet. Der zusätzliche Magnetfeldsensor steht einem am Maschinenelement ausgebildeten Polring gegenüber. Eine Kombination aus einer auf das Maschinenelement aufgebrachten, mechanischen Triggerfläche und einem auf die Folie aufgedruckten Wirbelstromsensor, der mit einem LDC1101-Chip der Fa. Texas Instruments ausgewertet wird, ist ebenfalls für eine Drehzahlüberwachung bevorzugt. Kommt es zu einer Rotation zwischen dem Maschinenelement und der Magnetfeldsensoranordnung, so dreht sich der Polring in Bezug auf den zusätzlichen Magnetfeldsensor, sodass die Drehzahl und/oder ein Drehwinkel messbar sind. Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst bevorzugt weiterhin mindestens einen Komparator für eine inkrementelle Signalauswertung oder mindestens einen Instrumentenverstärker für eine analoge Signalauswertung des zusätzlichen Magnetfeldsensors. Der Komparator bzw. der Instrumentenverstärker ist bevorzugt auch auf der Folie angeordnet. Somit erlaubt die Magnetfeldsensoranordnung die Messung des Drehmomentes und auch die Messung der Drehzahl.In preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention, an additional magnetic field sensor for determining a rotational speed is also formed on the film. The additional magnetic field sensor is opposite to a pole ring formed on the machine element. A combination of a mechanical trigger surface applied to the machine element and an eddy-current sensor printed on the film, which is evaluated with an LDC1101 chip from Texas Instruments, is likewise preferred for speed monitoring. If there is a rotation between the machine element and the magnetic field sensor arrangement, then the pole ring rotates with respect to the additional magnetic field sensor so that the rotational speed and / or an angle of rotation can be measured. The magnetic field sensor arrangement preferably further comprises at least one comparator for an incremental signal evaluation or at least one instrument amplifier for an analog signal evaluation of the additional magnetic field sensor. The comparator or the instrument amplifier is preferably also arranged on the foil. Thus, the magnetic field sensor arrangement allows the measurement of the torque and also the measurement of the rotational speed.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung ist die Folie mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in einen hohlzylinderförmigen Verbundkörper eingegossen. Bevorzugt ist die Folie mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in ein Kunstharz eingegossen, wobei das ausgehärtete Kunstharz die Folie mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten weitestgehend einschließt und mechanisch stabilisiert. Das ausgehärtete Kunstharz mit der darin befindlichen Folie, den Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten bilden den hohlzylinderförmigen Verbundkörper.In preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention, the film with the magnetic field sensors formed thereon and possibly further components is cast into a hollow cylindrical composite body. Preferably, the film is molded with the magnetic field sensors formed thereon and possibly other components in a synthetic resin, wherein the cured resin largely encloses and mechanically stabilizes the film with the magnetic field sensors and optionally further components formed thereon. The cured resin with the film therein, the magnetic field sensors and possibly other components form the hollow cylindrical composite body.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung. Die Magnetfeldsensoren der Magnetfeldsensoranordnung erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement. Das Maschinenelement und die Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung angegeben sind.The arrangement according to the invention is used to measure a torque on a machine element extending in an axis. The machine element has at least two magnetization areas extending around the axis for magnetization. The arrangement further comprises the magnetic field sensor arrangement according to the invention. The magnetic field sensors of the magnetic field sensor arrangement each extend circumferentially around the machine element. The machine element and the magnetic field sensor arrangement are rotatable relative to each other. The arrangement according to the invention preferably comprises one of the described preferred embodiments of the magnetic field sensor arrangement according to the invention. Moreover, the arrangement preferably also has features that are specified in connection with the magnetic field sensor arrangement according to the invention.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt zwei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnungen. Die beiden Magnetfeldsensoranordnungen, insbesondere die Folien der beiden Magnetfeldsensoranordnungen, sind bevorzugt galvanisch getrennt. Die beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet, wobei eine der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen in radialer Richtung über der anderen der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen angeordnet ist. Bevorzugt ist die Folie der radial äußeren der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen über die Folie der radial inneren der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen gewickelt. Die beiden Magnetfeldsensoranordnungen erlauben die Messung des Drehmomentes mit einer doppelten Messsicherheit und/oder einer zweikanaligen, funktional sicheren Sensortopologie.The arrangement according to the invention preferably comprises two of the magnetic field sensor arrangements according to the invention. The two magnetic field sensor arrangements, in particular the foils of the two magnetic field sensor arrangements, are preferably galvanically separated. The two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements are preferred arranged coaxially to one another, wherein one of the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements is arranged in the radial direction over the other of the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements. Preferably, the foil of the radially outer of the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements is wound over the foil of the radially inner of the two hollow cylindrical magnetic field sensor arrangements. The two magnetic field sensor arrangements allow the measurement of the torque with a double measurement reliability and / or a two-channel, functionally safe sensor topology.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. In einem Schritt des Verfahrens wird eine flexible Folie aus einem Polymer bereitgestellt. In einem weiteren Schritt werden magnetoresistive Schichten oder Hall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um Magnetfeldsensoren auf der Folie auszubilden. Zudem werden elektrische Kontakte zum elektrischen Anschluss der Magnetfeldsensoren auf die Folie aufgebracht. Die magnetoresistive Schichten werden bevorzugt durch Aufdrucken oder durch Abscheiden auf die Folie aufgetragen, um die Magnetfeldsensoren in Form von magnetoresistiven Sensoren auszubilden. Alternativ werden die Hall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um die Magnetfeldsensoren in Form von Hall-Sensoren auszubilden. Bevorzugt wird weiterhin der Instrumentenverstärker auf die Folie aufgebracht. Die Folie wird bevorzugt in Form eines Zylindermantels geformt bzw. gewickelt. Die Folie mit den darauf befindlichen Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten wird bevorzugt in Kunstharz eingegossen, woraufhin nach dem Aushärten des Kunstharzes ein Verbundkörper entsteht, der bevorzugt hohlzylinderförmig ist. Im Übrigen weist das Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung und der erfindungsgemäßen Anordnung angegeben sind.The method according to the invention serves to produce the magnetic field sensor arrangement according to the invention. In one step of the method, a flexible sheet of polymer is provided. In a further step, magnetoresistive layers or Hall sensor elements are applied to the film in order to form magnetic field sensors on the film. In addition, electrical contacts are applied to the electrical connection of the magnetic field sensors on the film. The magnetoresistive layers are preferably applied by printing or by deposition on the film to form the magnetic field sensors in the form of magnetoresistive sensors. Alternatively, the Hall sensor elements are applied to the film to form the magnetic field sensors in the form of Hall sensors. Preferably, the instrument amplifier is further applied to the film. The film is preferably shaped or wound in the form of a cylinder jacket. The film with the magnetic field sensors thereon and optionally other components is preferably cast in synthetic resin, whereupon, after the curing of the synthetic resin, a composite body is produced which is preferably hollow cylindrical. Moreover, the method preferably also has features which are specified in connection with the magnetic field sensor arrangement according to the invention and the arrangement according to the invention.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Ansicht; und -
2 eine Magnetfeldsensoranordnung in einem abgewickelten Zustand und eine Welle der in1 gezeigten Anordnung im Detail.
-
1 a preferred embodiment of an arrangement according to the invention in a perspective view; and -
2 a magnetic field sensor arrangement in a developed state and a shaft of the in1 shown arrangement in detail.
Die Welle
Die Anordnung umfasst neben der Welle
Auf der Folie
Zur Veranschaulichung ist die abgewickelte Magnetfeldsensoranordnung
Die vier Magnetfeldsensoren
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Maschinenelement in Form einer WelleMachine element in the form of a shaft
- 0202
- Magnetisierungsbereichmagnetization field
- 0303
- MagnetfeldsensoranordnungMagnetic field sensor arrangement
- 0404
- Foliefoil
- 0505
- --
- 0606
- Luftspaltair gap
- 0707
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 0808
- Streifen aus magnetoresistivem MaterialStrips of magnetoresistive material
- 0909
- KurzschlussstreifenShort strips
- 1010
- --
- 1111
- elektrische Masseelectrical mass
- 1212
- Ausgangoutput
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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