DE102018123800A1

DE102018123800A1 - Belastungsmessanordnung mit einem Lastelement und einem Belastungssensor, Herstellungsverfahren und Belastungsmessverfahren

Info

Publication number: DE102018123800A1
Application number: DE102018123800.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schanz
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Eine Belastungsmessanordnung (16) umfasst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement (14) und einen Belastungssensor (12), der eine Belastung des Lastelements (14) misst. Der Belastungssensor (12) umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18), die ein Magnetfeld (50) in dem Lastelement (14) erzeugt, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22), die einen sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameter in dem Lastelement (14) erfasst. Die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) ist zumindest teilweise in dem Lastelement (14) angeordnet. Zur Herstellung der Belastungsmessanordnung wird ein Belastungssensor (12) in einem Hohlraum (14a) des Lastelement (14) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement und einen Belastungssensor zum Messen einer Belastung des Lastelements. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Belastungsmessanordnung, sowie ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement.
Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen verstanden, die an dem Lastelement wirken.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einem Lastelement in Form einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Lastelementen wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:

D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt „Magnoelastic Sensors“ in „Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
D2 US 3 311 818
D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 011 340A
D6 US 4 135 391 A

Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 ( DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder EddyCurrent-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch VillariEffekt genannt).
Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist.
Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
Aus der
D7 EP 3'051'265 A1 ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1, A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1, B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1+A2) - (B1+B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
Eine bekannte Belastungsmessanordnung in Form eines magnetisch induktiven Kraftsensors ist in 2 gezeigt. Dabei ist ein magnetisch induktiver Kraftsensor 81 im Betrieb auf einer Messstelle 82 montiert. Durch eine auf die Messstelle 82 wirkende Kraft F wird ein induziertes Magnetfeld verändert. Um die Kraft F zu messen, werden die Magnetfelder durch einen magnetischen Schluss, zum Beispiel durch einen Ferrit, eingefangen.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Belastungsmessanordnung so auszubilden, dass die Sensorsensitivität und die Effizienz des Messsystems erhöht werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung nach Anspruch 1. Weiter werden ein Herstellverfahren zur Herstellung einer solchen Belastungsmessanordnung sowie ein Belastungsmessverfahren vorgeschlagen, welches insbesondere mit einer derartigen Belastungsmessanordnung durchführbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement und einen Belastungssensor zum Messen einer Belastung des Lastelements, wobei der Belastungssensor eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement erzeugten Magnetfelds umfasst, und wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement angeordnet ist.
Dadurch, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in dem Lastelement angeordnet ist, und zum Beispiel eine für die Messung verwendete Messspule in das Werkstück eintaucht, z.b. in einem darin angeordneten Schlitz, wird die Effizienz des Messystems erhöht. Die Messpule sieht in dem Werkstück den Kraftfluss von beiden Seiten (Vorderseite, Rückseite), wodurch sich die Effizienz des Gesamtsystems verdoppelt. Der magnetische Schluss erfolgt im Inneren des Werkstücks, wodurch die Sensorsensitivität und damit die Effizienz des Systems erhöht wird. Die Magnetfelder müssen nicht durch einen magnetischen Schluss außen bzw. außerhalb des Werkstücks eingefangen werden, sondern werden im Inneren des Werkstücks erfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in das Lastelement eintaucht. Dadurch kann das erzeugte Magnetfeld zum Beispiel von beiden Seiten der Magnetfelderfassungseinrichtung erfasst werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement angeordnet ist und/oder in das Lastelement eintaucht, um auf diese Weise das Magnetfeld zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung eine oder mehrere Sensorspulen zum Erfassen des Magnetfelds umfasst.
Vorteilhaft umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine oder mehrere Generatorspulen zum Erzeugen des Magnetfelds.
Beispielsweise sind die Magnetfelderfassungseinrichtung und/oder die Magnetfelderzeugungseinrichtung als Planarspulen ausgebildet oder umfassen eine oder mehrere Planarspulen.
Vorteilhaft ist die jeweilige Planarspule auf einer Isoliermaterialschicht aus elektrischem Isolationsmaterial ausgebildet, um eine Planarspuleneinheit zu bilden.
Bevorzugt sind mehrere Planarspulen und/oder Planarspuleneinheiten übereinander angeordnet.
Vorteilhafterweise sind die Planarspulen oder Planarspuleneinheiten auf einer Leiterplatte oder einem Substratträger mit Leitungspfaden realisiert.
Vorteilhaft ist die Sensorspule um die Generatorspule herum angeordnet.
Bevorzugt ist die Generatorspule um die Sensorspule herum angeordnet.
Beispielsweise sind die Spulen konzentrisch zueinander angeordnet.
Bevorzugt sind die Spulen axial benachbart zueinander angeordnet.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Generatorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Sensorspule angeordnet.
Bevorzugt ist wenigstens eine Sensorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Generatorspule angeordnet.
Vorteilhaft umfasst die Belastungsmessanordnung eine Elektronik zur Speisung des Belastungssensors und/oder zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung, die zum Beispiel auf einer Leiterplatte bzw. einem Substratträger vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass das Lastelement ein Element aus der Gruppe ist, die eine Drehwelle, einen Biegebalken, eine Zugstange oder Druckstange, ein Lastübertragungsteil eines mit Fluid betätigbaren Zylinders, eine Kolbenstange, ein relativ zu der Generatorspule und der Magnetfelderfassungseinrichtung bewegliches Element und ein Lastübertragungsteil eines Getriebes umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung, welches die Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelements;
- Bereitstellen eines Belastungssensors, der eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement erzeugten Magnetfelds umfasst;
- Anordnen des Belastungssensor derart, dass sich die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement befindet.

Vorteilhaft wird der Belastungssensor derart angeordnet, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in das Lastelement eintaucht.
Bevorzugt wird in dem Lastelement ein Hohlraum oder Schlitz zur Aufnahme der Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebiIdet.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement, umfassend die Schritte:

- Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung;
- Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement erzeugten Magnetfelds mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement angeordnet ist.

Bevorzugt wird das Belastungsmessverfahren mit einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung durchgeführt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Belastungsmessanordnung eine Kombination aus einem drehenden Lastelement, wie z.B. einer Welle, einem Rad, einem Zahnrad, einem Kettenblatt oder dergleichen, und einem Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an dem Lastelement. Diese Ausführungsform kann z.B. an einem E-Bike eingesetzt werden, wobei das Drehmoment an der Tretkurbel oder einem damit versehenen Element gemessen werden kann. Dabei kann z.B. CFK mit einer Schicht Metglas verwendet werden.
Bevorzugt ist von der Erfindung ausgenommen ein Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug mit einer Belastungsmessanordnung gemäß Patentanspruch 1 und/oder eine Belastungsmessanordnung gemäß Patentanspruch 1, die für Wankstabilisatoren von Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Vorzugsweise sind Belastungsmessanordnungen ausgenommen, bei denen ein Teil eines Wankstabilisators vorgesehen ist. Vorzugsweise betreffen die Verfahren keine Messung an einem Wankstabilisator bzw. keine Herstellung eines Wankstabilisators.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Belastungsmessanordnung gemäß der Erfindung, zum Messen einer mechanischen Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Lastelement;
2 eine bekannte Belastungsmessanordnung in Form eines Kraftsensors;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes eines Belastungssensors der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung;
4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
5 eine Seitenansicht der Belastungsmessanordnung mit dem Sensorkopf von 3 innerhalb eines Werkstücks oder Lastelements;
6 eine Ansicht vergleichbar 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Ansicht vergleichbar 5 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung einer Planarspuleneineit mit einer Planarspule, die bevorzugt als eine Spule des Belastungssensors der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung dient;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Planarspuleneineit, die als eine Spule des Belastungssensors der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung verwendbar ist;
10 eine Fotografie eines Schnitts durch ein Planarspulenpaket, das bevorzugt in dem Belastungssensor der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung verwendet wird;
11a-11d unterschiedliche Ausführungsformen für CAD-Ausdrücke monofilarer und mehrfachfilarer Planarspulen;
12 eine Fotografie, die induktive Bauelemente zum Bilden eines Sensorkopfes für einen Belastungssensor bzw. Kraft- oder Drehmomentsensor der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung von unterschiedlichen Seiten zeigt, wobei das induktive Bauteil eine Planarspulenanordnung mit mehreren übereinander angeordneten Planarspuleneinheiten aufweist;
13 eine Fotografie eines induktiven Bauelements von oben und von unten dargestellt für einen Sensorkopf eines Belastungssensors bzw. Kraft- oder Drehmomentsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
14 eine vergrößerte Darstellung einer Planarspulenanordnung, die bevorzugt als Belastungssensor gemäß der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung verwendet wird.

In 1 ist eine Belastungsmessanordnung 16 als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Belastungsmessanordnung 16 umfasst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Werkstück 14, das ein Lastelement bildet. Weiterhin ist ein Belastungssensor 12 vorgesehen, der zum Messen einer Belastung des Lastelements bzw. Werkstücks 14 dient.
Die Belastung ist in dem hier gezeigten Beispiel eine Kraft F, die auf das Werkstück 14 wirkt. Die Belastung kann aber auch auf andere Art gestaltet sein, wie beispielsweise ein Drehmoment, das an dem Werkstück 14 anliegt.
Ein Belastungssensor 12 umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines Magnetfelds 50 in dem Werkstück 14.
Weiterhin umfasst der Belastungssensor 12 eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen bzw. Messen des in dem Werkstück 14 erzeugten Magnetfelds 50 oder eines Parameters des Magnetfelds 50. Dabei ist die Magnetfelderfassungseinrichtung 20,22 in dem Lastelement bzw. Werkstück 14 angeordnet.
Das Magnetfeld 50 bzw. dessen Magnetfeldparameter ändern sich aufgrund der auf das Werkstück 14 wirkenden Belastung, die hier als Kraft F dargestellt ist.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 umfasst eine Generatorspule, die dazu dient, das Magnetfeld 50 zu erzeugen. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 umfasst eine Sensorspule oder eine Anordnung von Sensorspulen. Der Belastungssensor 12 mit seiner Anordnung von Spulen (Generatorspule, Sensorspulen) ist weiter unten im Detail beschrieben.
Die Belastungsmessanordnung 16 umfasst weiterhin eine Anordnung 52 zur Speisung des Belastungssensors 12 und zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung. Die Anordnung 52 ist als eine Elektronik ausgestaltet, die auf einer Leiterplatte bzw. einem Substratträger vorgesehen. Eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung dient zum Treiben der Generatorspule.
Die Sensorspule bzw. Sensorspulenanordnung der Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 taucht in das Werkstück 14 ein. Sie erfasst somit als eine Messspule oder Messspulenanordnung im Inneren des Werkstücks 14 das Magnetfeld 50 bzw. einen oder mehrere Parameter des Magnetfelds 50.
Die Generatorspule bzw. Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 ist in dem hier gezeigten Beispiel ebenfalls in dem Werkstück 14 bzw. Lastelement angeordnet. Anders ausgedrückt, sie taucht ebenfalls in das Werkstück 14 ein und erzeugt dort das Magnetfeld 50.
Der Belastungssensor 12 dient zum Messen von mechanischen Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in dem zumindest teilweise magnetisierbaren, vorzugsweise um eine Drehachse drehbaren, Werkstück 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen. Die Messung erfolgt innerhalb des Werkstücks 14 in einem darin ausgebildeten Schlitz oder Hohlraum 14a, in den der Belastungssensor 12 eintaucht.
Das Werkstück oder Lastelement 14 kann bei anderen Ausgestaltungen auch stationär sein, z.B. ein Träger oder eine Strebe in einer Stützstruktur sein, an der Belastungen oder Kräfte zu messen sind.
Das Lastelement 14 und der Belastungssensor 12 bilden zusammen die Belastungsmessanordnung 16. Der Belastungssensor 12 kann insbesondere auch mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 aufweisen.
Das Lastelement 14 ist beispielsweise zumindest an einem Messbereich mit einer Schicht aus einem ferromagnetischen metallischen Glas versehen.
3 zeigt beispielhaft einen Sensorkopf 10 des Belastungssensors 12, der innerhalb des Lastelements oder Werkstücks 14 angeordnet ist (siehe 1) und eine Anordnung von Spulen zur Erzeugung und zur Erfassung des Magnetfelds 50 aufweist.
Der Belastungssensor 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule LG auf. Eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung dient zum Treiben der Generatorspule LG.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1, A2, B1, B2 oder Festkörpermagnetfeldsensoren auf. Eine Auswerteeinrichtung 42 ist zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 vorgesehen.
Die hier beschriebene Ausführungsform weist zwei als erste Sensorspulen bzw. Detektorspulen A1, A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Sensorspulen bzw. Detektorspulen B1, B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 vorgesehen. Dabei ist mittig die Generatorspule LG vorgesehen, wobei sich die ersten Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung 16 weist der Belastungssensor 12 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 zum Erfassen eines Drehwinkels des Lastelements 14 sowie eine Auswerteeinrichtung 42 zur Verringerung einer Beeinflussung der Belastungsmessung durch drehwinkelabhängige Effekte auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit der Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet, die RSN unter Verwendung der Drehwinkelinformation zu verringern.
Mittels einer Drehzahlinformation oder der Winkelinformation und dem Drehmoment kann z.B. unmittelbar die mechanische Leistung erfasst werden. Wie in der früheren deutschen Patentanmeldung 10 2018 113 378.2 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, dargestellt, kann damit auch sehr wirksam eine RSN-Kompensation erzielt werden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V-Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-2 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule LG an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
In 5 ist der Belastungssensor 12 mit seiner kreuzförmigen Anordnung von Spulen, wie er oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, von der Seite gezeigt, wobei sich der Sensorkopf 10 innerhalb des Lastelements bzw. Werkstücks 14 befindet. Die Bezugszeichen kennzeichnen Elemente, die oben bereits beschrieben wurden.
In diesem Beispiel sind die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 bzw. Generatorspule LG ist hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 vorgesehen.
Das Lastelement 14 ist bevorzugt mit einer Schicht 13 aus ferromagnetischem metallischem Glas, auch amorphes Metall genannt, versehen.
Wie 6 zeigt, können anstatt der Detektorspulen auch Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26 vorgesehen sein.
7 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10 des Belastungssensors 12, bei der die Spulen - Detektorspulen A1, A2, B1, B2 und Generatorspule LG - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
Die Planarspulen 34 sind bevorzugt wie nachfolgend beschrieben ausgestaltet. Sie können jeweils als einzelne Planarspulen oder als eine Anordnung von mehreren Planarspulen als Generatorspule und/oder Sensor-bzw. Detektorspule im Belastungssensor 12 innerhalb des Lastelements 14 eingesetzt werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 8 bis 14 eine Planarspulenanordnung 132 (siehe 12 bis 14) mit mehreren übereinander angeordneten Planarspuleneinheiten 110 näher erläutert. Die in den 12 bis 14 gezeigte Planarspulenanordnung 132 wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in dem Lastelement 14 angeordnet und bildet dort den Belastungssensor 12 bzw. dessen Sensorkopf 10, wie oben beschrieben.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren werden mehrere Planarspuleneinheiten 110 hergestellt, wobei wenigstens eine Planarspule 34 oder vorzugsweise mehrere Planarspulen 34 gemeinsam auf einer Ebene auf einer Isoliermaterialschicht 114 durch computergestützte Fertigung hergestellt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden für die computergestützte Fertigung lithographische Verfahren verwendet, bei denen Oberflächen eines Substrats, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte 116 gemäß Mustern belichtet werden, die aus CAD-Daten erzeugt werden. Anschließend werden belichtete oder unbelichtete Bereiche weggeätzt, um so die Planarspule 34 als Muster aus einem elektrischen Leiter auf der Isoliermaterialschicht 114 der flexiblen Leiterplatte 116 zu bilden.
Vorzugsweise werden dabei gleich mehrere Planarspulen 34 auf einer gemeinsamen, vorzugsweise flexiblen Leiterplatte 116 erzeugt. Durch vorzugsweise maschinelles, ebenfalls CAD-gestütztes Übereinanderschichten der so gebildeten Planarspuleneinheiten 110 werden die jeweiligen Planarspulen 34 computergestützt exakt positioniert übereinander angeordnet, um so Spulen 120 zu bilden, die jeweils aus mehreren übereinander angeordneten Planarspulen 34 gebildet sind, wobei die Windungen 122 der jeweils übereinander angeordneten Planarspulen 34 mittels Durchkontaktierungen 124 miteinander verbunden werden.
Als Beispiel für die Ausgestaltung der Generatorspule LG und/oder der Sensorspulen bzw. Detektorspulen des Belastungssensors 12, wie er oben im Detail erläutert wurde, zeigt 8 einen CAD-Ausdruck für eine beispielhafte Planarspule 34. Dabei ist die Planarspule 34 Teil eines Planarspulenpakets, das mehrere übereinander angeordnete Planarspulen 34 aufweist.
Die Planarspule 34 und eine Anordnung von Durchkontaktierungen 124 befindet sich auf einer Isoliermaterialschicht 114.
Um das Magnetfeld der Spule 120 zu verstärken, kann innerhalb der Spule noch ein (nicht dargestellter) magnetischer Flusskonzentrator aus einem ferromagnetischen Material eingefügt werden. Somit ist im Inneren der Spule eine Durchgangsöffnung 126 vorgesehen, die das ferromagnetische Material aufnehmen soll.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform sind äußere Durchkontaktierungen 124a außerhalb der Spule 120 vorgesehen und innere Durchkontaktierungen 124b innerhalb der Spule 120 vorgesehen. Die Durchgangsöffnung 126 ist innerhalb des Ringbereichs, wo sich die inneren Durchkontaktierungen 124b befinden, vorgesehen. Die Fläche, auf der die Windungen 122 für die Planarspulen 34 angeordnet werden können, befindet sich zwischen dem Ringbereich, auf dem die äußeren Durchkontaktierungen 124a angeordnet werden, und dem inneren Ringbereich, auf dem die inneren Durchkontaktierungen 124b angeordnet werden. Die Windungen 122 sind durch die computergestützte Fertigung optimiert auf dem verbleibenden Zwischenbereich angeordnet, so dass ein minimaler Abstand zwischen den einzelnen Windungen 122 verbleibt und die Fläche optimal mit dem Material aus dem elektrischen Leiter 118 belegt ist.
9 zeigt eine Ansicht vergleichbar derjenigen zu 8 für eine gegenüber der Ausführungsform in 8 bevorzugte Ausführungsform der Planarspule 34.
Bei der Ausführungsform der 9 ist wenigstens die innere Durchkontaktierung 124b nicht in einem Ringbereich zwischen der Durchgangsöffnung 126 und der Planarspule 34 vorgesehen, sondern direkt am Rand der Durchgangsöffnung 126 vorgesehen. Die innere Durchkontaktierung 124b verläuft somit auf der Innenseite der Durchgangsöffnung 126.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die äußere Durchkontaktierung 124a nicht innerhalb einer Fläche eines äußeren Ringbereichs um die Planarspule 34 herum vorgesehen ist, sondern an der äußeren Seite der Isoliermaterialschicht 114.
Hierdurch ist der Flächenbereich, der für die Windungen 122 der Planarspulen 34 genutzt werden kann, gegenüber der Ausgestaltung der 8 deutlich vergrößert. Außerdem kann der Durchmesser für die Durchgangsöffnung gegenüber der Ausgestaltung von 8 deutlich vergrößert werden, ohne den Gesamtflächenbereich der Planarspule 34 zu vergrößern. Hierdurch kann eine größere Menge an ferromagnetischem Material innerhalb der Spule 120 angeordnet werden.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die einzelnen Planarspuleneinheiten 110, die jeweils eine Isoliermaterialschicht 114 und wenigstens eine oder mehrere darauf angeordnete Planarspulen 34, insbesondere gemäß der Ausgestaltung in 8, aufweisen, computergesteuert aufgrund von CAD-Daten und unter exakter Positionierung aufeinandergelegt. Dies erfolgt derart, dass zwischen jeder Planarspule 34 nur eine einzelne Isoliermaterialschicht 114, beispielsweise gebildet aus einem Prepreg, vorgesehen wird.
10 zeigt eine Fotografie eines Schnitts durch eine Spule 120. Dabei ist das Zentrum der Spule mit der Durchgangsöffnung 126 links dargestellt, wobei die einzelnen Planarspulen 34 mit Isoliermaterial dazwischen zu sehen sind. Dieses Paket aus übereinander angeordneten Planarspulen 34 ist beispielsweise innerhalb einer Öffnung in einer als Trägersubstrat dienenden Leiterplatte - starres Leiterplattenelement 138 - angeordnet. Die Herstellung kann gemäß dem hier erläuterten Verfahren erfolgen. Wie in 10 ersichtlich ergeben sich dadurch Lagen von Planarspuleneinheiten 110, die übereinandergeschichtet angeordnet sind. Zwischen den einzelnen aus elektrischen Leiter 118 gebildeten Planarspuleneinheiten 110 ist jeweils eine Lage Isoliermaterial vorgesehen, welche beispielsweise eine Dicke von 40-50 µm aufweist.
Durch eine computergestützte Fertigung der Planarspulen 34 in stets exakter gleichbleibender Weise und/oder durch eine computergestützte Aufeinanderanordnung - sei es durch computergestütztes Aufeinanderliegen und die exakte Positionierung, sei es durch schichtweise Herstellung der Planarspuleneinheiten 110 übereinander - ist stets eine exakte Symmetrie der einzelnen Planarspulen 34 zueinander als auch die Möglichkeit einer weitaus dünneren Isoliermaterialschicht dazwischen geschaffen.
Die Planarspulendicke d_i,PS aus dem elektrischen Leiter 118 der i-ten Planarspuleneinheit 110 von n übereinander angeordneten Planarspuleneinheiten 110 und die Schichtdicke d_i,IM der Isoliermaterialschicht 114 der i-ten Planarspuleneinheit 110 wird dabei derart gewählt, dass vorzugsweise die Planarspulendicke d_i,PS größer oder gleich der Schichtdicke d_i,IM ist. Es werden 60 bis 90% der Gesamtdicke der wenigstens einen durch die einzelnen Planarspulen gebildeten Spule durch das elektrische Leitermaterial und entsprechend nur 40 bis 10% der Gesamtdicke durch das Isoliermaterial gebildet.
Hierdurch ergibt sich auf dem Flächenbereich, auf dem sich die Windungen 122 der Planarspulen 34 befinden, über das gesamte Spulenpaket hin gesehen ein größerer Anteil von Material des elektrischen Leiters 118 (z. B. Kupfer) im Vergleich zu dem Isoliermaterial der Isoliermaterialschicht 114. Dadurch kann auf einem kleineren Volumen bei gleichem auf die Spule 120 aufgeprägtem Strom eine größere Stromdichte und damit ein stärkeres Magnetfeld erzeugt werden.
Die computergestützte Fertigung der Spulen 120 bietet weiter noch die Möglichkeit, die einzelnen Planarspulen 120 sowohl monofilar, wie in 11a gezeigt, als auch mit mehreren Filaritäten, wie in den 11b-11d gezeigt, herzustellen.
Hierdurch können Planarspulen 34 mit einer Windungsspirale oder mit mehreren elektrisch voneinander isolierten und unterschiedlich verschaltbaren Windungsspiralen, die vorzugsweise ineinandergreifen, hergestellt werden.
Hierdurch können konzentrisch zueinander angeordnete Spulen 120a, 120b hergestellt werden, die unterschiedlich kontaktiert werden können. Beispielsweise werden die unterschiedlichen Filaritäten einer mehrfach filaren Spule 120 zum differenziellen Messen verwendet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine der ineinander geschalteten Spulen 120a als Generatorspule und die andere als Messspule verwendet werden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung können mehrere ineinander geschaltete Spulen zur differenziellen Messung herangezogen werden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung können die unterschiedlichen ineinandergeschaltelten Spulen als unterschiedliche Elemente einer Brückenschaltung verwendet werden.
12 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines induktiven Bauelements 130, welches eine gemäß dem zuvor erläuterten Verfahren hergestellte Planarspulenanordnung 132 aufweist, um eine erste Spule 120a, eine zweite Spule 120b und eine dritte Spule 120c zu bilden. Das induktiven Bauelements 130 wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in dem Lastelement oder Werkstück 14 in einem Innenraum oder Hohlraum 14a angeordnet und dient dort als Belastungssensor bzw. als dessen Sensorkopf.
Das induktive Bauelement 130 kann als Teil eines Aktuators oder eines Sensors verwendet werden. Insbesondere kann das induktive Bauelement 130 als wesentlicher Bestandteil eines Sensorkopfes für einen Drehmomentsensor oder Kraftmesssensor der erläuterten Art verwendet werden. Der Sensorkopf weist dann vorzugsweise noch das ferromagnetische Verstärkungsmaterial auf.
Im Falle der Verwendung für einen Sensorkopf kann die erste Spule 120a beispielsweise als Generatorspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem hinsichtlich einer Kraftbeaufschlagung zu messenden Element, beispielsweise einer Drehwelle, verwendet werden, während die zweite Spule 120b als erste Messspule und die dritte Spule 120c als zweite Messspule dient, zum Messen einer Magnetfeldänderung, insbesondere eine Richtungsänderung eines Magnetfeldes unter Einfluss einer Kraft.
Wie aus 12 ersichtlich, ist in jeder der Spulen 120a, 120b, 120c, welche jeweils aus übereinander gelegten Planarspulen 34 gebildet ist, eine Durchgangsöffnung 126 vorgesehen, durch welches ein Material zur magnetischen Verstärkung hindurchgesteckt werden kann. Weiter sind an der Innenwand jeder Durchgangsöffnung 126 mehrere Durchkontaktierungen 124, 124b vorgesehen.
Weitere Ausführungsformen des induktiven Bauelements 130 sind in den 13 und 14 dargestellt, wo zusätzlich zu der ersten Spule 120a, der zweiten Spule 120b und der dritten Spulen 120c noch eine vierte Spule 120d und eine fünfte Spule 120e vorgesehen sind. Die zweite bis fünfte Spule 120b bis 120e sind um die erste Spule 120a verteilt herum vorgesehen. Die vierte Spule 120d kann eine dritte Messspule bilden, und die fünfte Spule 120e kann eine vierte Messspule bilden.
Die Verschaltung der Messspulen - z. B. zweite Spule 120b bis fünfte Spule 120e kann so erfolgen, wie dies im Einzelnen der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 112 913.8 , auf welche für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist.
Insbesondere sind die Messspulen hier in einer so genannten X-Anordnung um die als Generatorspule wirkende erste Spule 120a herum angeordnet.
Kontaktpads 134 zum elektrischen Anschließen der einzelnen Spulen 120 und/oder von in den induktiven Bauelementen 130 sonst noch eventuell vorgesehene Elektronikbausteine sind vorzugsweise an wenigstens einer Außenkante des induktiven Bauelements 130 angeordnet.
Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktpads 134 an einer Seite angeordnet. Bei dem in 13 und 14 dargestellten Ausführungsbeispiel des induktiven Bauelements 130 sind die Kontaktpads 134 an gegenüberliegenden Seiten innerhalb einer reckteckförmigen Aussparung 136 an gegenüberliegenden Seiten des induktiven Bauelements 130 vorgesehen. Wie in 14 durch das Detail A angedeutet, kann eines der Kontaktpads als Testpad ausgebildet sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Verfahrens zum Herstellen des für einen Sensorkopf einzusetzenden induktiven Bauelements 130 gemäß den 12 und 13 sieht vor, dass in einem starren Leiterplattenelement 138 Hohlräume für die einzelnen Spulen 120, 120a-120e ausgebildet werden.
Die einzelnen Planarspulen 34, die die einzelnen Lagen der Spulen 120a-120e bilden, werden gemeinsam als Planarspuleneinheit 110 auf der flexiblen Leiterplatte 116 wie zuvor erläutert hergestellt, und die n Planarspuleneinheiten 110 mit den jeweiligen Planarspulen 34 werden computergesteuert übereinander angeordnet oder computergesteuert übereinander hergestellt. So wird eine Planarspulenanordnung 132 gebildet, die die aus einzelnen übereinander gelegten Planarspulen 34 gebildeten Spulen 120, 120a-120e aufweist.
Bei einer Ausgestaltung werden die einzelnen Spulen mittels eines Schneidstempels gemeinsam ausgeschnitten und in einzelne Hohlräume des starren Leiterplattenelements 138 überführt.
Bei einer anderen Ausgestaltung wird die Planarspulenanordnung 132, die durch Übereinanderschichten der Planarspuleneinheiten 110 gebildet ist, als induktives Bauelement 130 verwendet, so dass kein starres Leiterplattenelement 138 benötigt wird.
Die Spulen 120 können beispielsweise aus insgesamt 4-100, z. B. 15, Windungen pro Planarspule 34 hergestellt werden, wobei zum Beispiel n=8 Lagen übereinander verwendet werden. Bevorzugt liegt n im Bereich von 3-15.
Werden, wie dies in 8 dargestellt ist, Durchkontaktierungen in Ringbereichen, die innerhalb und außerhalb der Fläche der Windungen liegen, eingesetzt, lässt sich beispielsweise das Maß Kupfer zur Kontur auf typischerweise 0,3 mm einstellen.
Wenn man wie in 9 dargestellt, die Durchkontaktierungen in die Kontur aufnimmt, wird der Flächennutzungsanteil durch die Windungen 122 erheblich verbessert.
Die Belastungsmessanordnung 16 mit dem Belastungssensor 12 innerhalb des Lastelements 14 gemäß bevorzugten Ausführungsformen implementiert ein Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2, wie es genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 112 913.8 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist.
Bei den in den 1 und 3 bis 7 gezeigten Ausgestaltungen ist ein sich drehendes Lastelement 14 vorgesehen. Das Lastelement 14 kann aber ein beliebiges Lastelement 14 sein, an dem Belastungen zu messen sind.
Auch können Spannungen als Belastungen gemessen werden. Die Belastungsmessanordnung 16 wie oben beschrieben kann daher insbesondere als magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung ausgestaltet sein. Diese weist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines durch den Bereich, an dem Spannungen zu erfassen sind, laufenden Magnetfeldflusses auf, sowie eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen eines Magnetfeldflusses in dem Bereich auf, an dem mechanische Spannungen zu erfassen sind.
Mechanische Spannungsänderungen an einer insbesondere aus einem weichmagnetischen Material gebildeten Oberfläche eines Körpers führen aufgrund des magnetoelastischen Effekts zu Permeabilitätsänderungen und so zu Änderungen eines in die Oberfläche induzierten Magnetfeldflusses. Dieser Effekt wird ausgenutzt, um Spannungen unmittelbar zu erfassen. Diese Spannungen sind zum Beispiel auch ein Maß für einen auf eine Membran wirkenden Druck.
Demnach ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 dazu ausgebildet, einen Magnetfluss zu erzeugen, der durch den Bereich des Lastelements 14 fließt, an dem Spannungen zu erfassen sind. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 ist dazu ausgebildet, durch mechanische Spannungen verursachte Änderungen an dem Magnetfeldfluss, wie insbesondere Richtungsänderungen der Magnetflusslinien des Magnetfelds 50, zu erfassen.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist wenigstens eine Erregerspule LG vorzugsweise mit einem Erregerspulenkern auf. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 weist wenigstens eine Messspule 26 vorzugsweise mit einem Messspulenkern auf. Die Anordnung kann analog wie bei den in den 3 bis 14 gezeigten Sensorköpfen bzw. induktiven Bauelementen sein.
Für weitere Einzelheiten zu dem Aufbau der magnetoelastischen Spannungserfassungseinrichtung wird auf die DE 10 2016 122 172 A1 verwiesen.
Für weitere Einzelheiten für einen Drucksensor und dessen mögliche Abwandlungen, Ausführungsformen, Funktionen, Verwendungen und Vorteile wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2017 104 547.3 verwiesen.
Nachfolgend wird anhand der 1 und 3 bis 7 als ein Beispiel ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung 16 gemäß der Erfindung beschrieben.
Dabei wird zunächst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement 14 bereitgestellt; Weiterhin wird ein Belastungssensors 12 bereitgestellt, der eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines Magnetfelds 50 in dem Lastelement 14 und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement 14 erzeugten Magnetfelds 50 umfasst. Der Belastungssensor 12 wird derart angeordnet, dass sich die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zumindest teilweise in dem Lastelement 14 befindet.
Hierzu wird in dem Lastelement 14 ein Hohlraum oder Schlitz 14a zur Aufnahme der Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 ausgebildet.
Der Belastungssensor 12 wird so in dem Lastelement 14 angeordnet, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 in das Lastelement 14 eintaucht. Gemäß diesem Beispiel taucht auch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 in das Lastelement 14 ein.
Insbesondere wird der Belastungssensor 12 so angeordnet, dass die Generatorspule 18 und die Sensorspulen 26 in das Lastelement 14 eintauchen. Anders ausgedrückt, der Sensorkopf 10 des Belastungssensors 12 mit seinen Spulen oder Elementen 18, 26 zur Erzeugung bzw. Erfassung des Magnetfelds 50 wird in dem Hohlraum 14a des Lastelements 14 angeordnet bzw. taucht in das Lastelement 14 ein.
Als Spulen 18, 26 zur Erzeugung bzw. Erfassung des Magnetfelds 50 werden beispielsweise die Spulen 120, die Planarspulen 34 und/oder die Planarspulenanordnungen 132 verwendet, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 8 bis 14 beschrieben sind. Insbesondere wird als Belastungssensor eine Planarspulenanordnung 132 in dem Lastelement 14 bzw. dem dazu ausgebildeten Hohlraum oder Schlitz 14a angeordnet.
Insbesondere kann der Sensorkopf 10, wie er oben unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 beschrieben ist, als Teil des Belastungssensors 12 innerhalb des Lastelements 14 positioniert werden.
Nachfolgend wird beispielhaft anhand der 1 ein Belastungsmessverfahren Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement 14 beschrieben. Dabei wird mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 ein Magnetfeld 50 in dem Lastelement 14 erzeugt. Ein sich aufgrund der Belastung ändernder Magnetfeldparameter des in dem Lastelement 14 erzeugten Magnetfelds 50 wird mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 erfasst. Dabei ist die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zumindest teilweise in dem Lastelement 14 angeordnet.
Aus den Magnetfeldparametern wie Richtung und Stärke wird mittels einer Auswerteeinrichtung 42 die Belastung ermittelt.
Das Messverfahren wird mit einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung 16 durchgeführt, wie sie oben beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail erläutert ist.
Bezugszeichenliste

10: Sensorkopf
12: Belastungssensor
13: Schicht aus ferromagnetischem Material
16: Belastungsmessanordnung
14: Lastelement bzw. Werkstück
14a: Hohlraum, Schlitz
18: Magnetfelderzeugungseinrichtung bzw. Generatorspule
20: erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22: zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
26: Magnetfeldsensor 26-1 erster Magnetfeldsensor 26-2 zweiter Magnetfeldsensor
27: Festkörpermagnetfeldsensor
28: X-Anordnung
30: Flusskonzentrator
32: V-Anordnung
34: Planarspule
35: Isoliermaterialschicht
36: Leiterplattenelement
40: Drehwinkelerfassungseinrichtung
42: Auswerteeinrichtung
50: Magnetfeld
52: Anordnung bzw. Elektronik
110: Planarspuleneinheit
114: Isoliermaterialschicht
116: flexible Leiterplatte
118: elektrischer Leiter
120: Spule
120a: erste Spule
120b: zweite Spule
120c: dritte Spule
120d: vierte Spule
120e: fünfte Spule
122: Windung
124: Durchkontaktierung
124a: äußere Durchkontaktierung
124b: innere Durchkontaktierung
126: Durchgangsöffnung
130: induktives Bauelement
132: Planarspulenanordnung
134: Kontaktpad
136: Aussparung
138: starres Leiterplattenelement
A1, A2: Detektorspulen bzw. Sensorspulen
B1, B2: Detektorspulen bzw. Sensorspulen
LG: Generatorspule
F: Belastung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3311818 [0004]
EP 0384042 A2 [0004]
DE 3031997 A [0004]
US 3011340 A [0004]
US 4135391 A [0004]
DE 3031997 A1 [0005]
DE 102018113378 [0059]
DE 102017112913 [0092, 0103]
DE 102016122172 A1 [0109]
DE 102017104547 [0110]

Claims

Belastungsmessanordnung (16) umfassend ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement (14) und einen Belastungssensor (12) zum Messen einer Belastung des Lastelements (14), wobei der Belastungssensor (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds (50) in dem Lastelement (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement (14) erzeugten Magnetfelds (50) umfasst, und die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zumindest teilweise in dem Lastelement (14) angeordnet ist.
Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) in das Lastelement (14) eintaucht.
Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zumindest teilweise in dem Lastelement (14) angeordnet ist und/oder in das Lastelement (14) eintaucht.
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4.1. die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) eine oder mehrere Sensorspulen (26) zum Erfassen des Magnetfelds (50) umfasst, und/oder 4.2. die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) eine oder mehrere Generatorspulen (LG) zum Erzeugen des Magnetfelds (50) umfasst, und/oder 4.3. die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und/oder die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) als Planarspulen (34) oder Planarspulenanordnung (132) ausgebildet sind oder solche umfassen.
Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspule (34) auf einer Isoliermaterialschicht (34) aus elektrischem Isolationsmaterial ausgebildet ist, um eine Planarspuleneinheit (110) zu bilden.
Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Planarspulen (34) und/oder Planarspuleneinheiten (110) übereinander angeordnet sind.
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen (34) oder Planarspuleneinheiten (110) auf einer Leiterplatte (134) oder einem Substratträger mit Leitungspfaden realisiert sind.
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens eine der folgenden Ausbildungen: 8.1. dass die Sensorspule (26) um die Generatorspule (18) herum angeordnet ist, 8.2. dass die Generatorspule (18) um die Sensorspule (26) herum angeordnet ist, 8.3. dass die Spulen (18, 26) konzentrisch zueinander angeordnet sind, 8.4. dass die Spulen (18, 26) axial benachbart zueinander angeordnet sind, 8.5. dass wenigstens eine Generatorspule (18) zwischen einer ersten und einer zweiten Sensorspule (26) angeordnet ist, 8.6. dass wenigstens eine Sensorspule (26) zwischen einer ersten und einer zweiten Generatorspule (18) angeordnet ist.
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Elektronik (52) zur Speisung des Belastungssensors (12) und/oder zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung, die auf einer Leiterplatte (134) bzw. einem Substratträger vorgesehen ist.
Belastungsmessanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastelement (14) ein Element aus der Gruppe ist, die eine Drehwelle, einen Biegebalken, eine Zugstange oder Druckstange, ein Lastübertragungsteil eines mit Fluid betätigbaren Zylinders, eine Kolbenstange, ein relativ zu der Generatorspule (18) und der Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) bewegliches Element und ein Lastübertragungsteil eines Getriebes umfasst.
Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelements (14); - Bereitstellen eines Belastungssensors (12), der eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds (50) in dem Lastelement (14) und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement (14) erzeugten Magnetfelds (50) umfasst, - Anordnen des Belastungssensor (12) derart, dass sich die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zumindest teilweise in dem Lastelement (14) befindet.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungssensor (12) derart angeordnet wird, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) in das Lastelement (14) eintaucht.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastelement (14) ein Hohlraum oder Schlitz (14a) zur Aufnahme der Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) ausgebildet wird
Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement (14), umfassend die Schritte: Erzeugen eines Magnetfelds (50) in dem Lastelement (14) mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (18); Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement (14) erzeugten Magnetfelds (50) mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22); wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zumindest teilweise in dem Lastelement (14) angeordnet ist.
Belastungsmessverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Belastungsmessanordnung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.