DE69527983T2

DE69527983T2 - Berührungsfreier kreisförmig magnetisierter drehmomentsensor und drehmomentmessverfahren damit

Info

Publication number: DE69527983T2
Application number: DE69527983T
Authority: DE
Inventors: Ivan J. Garshelis
Original assignee: Magna Lastic Devices Inc
Current assignee: Magna Lastic Devices Inc
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2015-06-03
Also published as: CA2190974C; EP0803053A1; EP0803053B1; CA2190974A1; EP0803053A4; WO1995033982A1; JPH09511832A; DE69527983D1; US5520059A; JP2914526B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehmomentsensoren und insbesondere auf berührungslose magnetoelastische Drehmoment-Messaufnehmer zur Lieferung eines Maßes für das auf eine Welle aufgebrachte Drehmoment.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Steuerung von Systemen mit drehenden Antriebswellen sind Drehmoment und Geschwindigkeit die interessierenden Grundparameter. Das Abfühlen und Messen von Drehmoment in genauer, zuverlässiger und kostengünstiger Weise ist daher seit mehreren Dekaden ein Hauptziel der auf diesem Gebiet Tätigen. Mit der verhältnismäßig jungen Entwicklung von Prototypen Servolenksystemen, bei welchen ein Elektromotor, der ansprechend auf die Betätigung eines Fahrzeuglenkrads angesteuert wird, die Erzeugung eines Drehmoments durch Steuerung der Stromzufuhr zu diesem steuert, wurde die Notwendigkeit für eine ein Drehmoment abfühlende Vorrichtung, welche ein durch eine Lenkwelle erzeugtes Drehmoment genau feststellen kann, deutlich gemacht. Obwohl große Fortschritte gemacht wurden, bleibt die zwingende Notwendigkeit für kostengünstige Drehmomentabfühlvorrichtungen, die zu kontinuierlichen Drehmomentmessungen über längere Zeiträume trotz schwieriger Umgebungs- und Arbeitsbedingungen in der Lage sind.
Früher erfolgte eine Drehmomentmessung unter Verwendung von direkt an der Welle angebrachten berührenden Sensoren. Ein solcher Sensor ist eine "Dehnungmessstreifen"-Drehmomentnachweisvorrichtung, bei welcher ein oder mehr als ein Dehnungsmessstreifen direkt an der Außenumfangsfläche der Welle angebracht sind und eine durch Dehnung verursachte Widerstandsänderung mit einer Brückenschaltung oder anderen wohlbekannten Einrichtungen gemessen wird. Berührende Sensoren sind jedoch infolge der direkten Berührung mit der drehenden Welle verhältnismäßig instabil und von begrenzter Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass sie sehr teuer und daher für einen konkurrenzfähigen Einsatz bei Fahrzeuglenksystemen kommerziell unbrauchbar sind.
Später wurden dann berührungslose Drehmomentsensoren des magnetostriktiven Typs zur Verwendung mit drehenden Wellen entwickelt. Beispielsweise offenbart US-A-4 896 544, Garshelis, einen ein Drehmoment führendes Element aufweisenden Sensor mit einer geeignet ferromagnetischen und magnetostriktiven Oberfläche, zwei axial unterschiedenen Umfangsbändern innerhalb des Elements, die mit jeweils symmetrischer, wendelförmig gerichteter restspannungsinduzierter magnetischer Anisotropie ausgestattet sind, und einer magnetischen Diskriminatorvorrichtung zur Feststellung, ohne das unter Drehmoment stehende Element zu berühren, von Differenzen der Antwort der beiden Bänder auf gleiche, axiale Magnetisierungskräfte. Am typischsten erfolgen Magnetisierung und Abfühlung durch Vorsehen eines Paares von Erregungs- oder Magnetisierungsspulen, die über den Bändern liegen und diese umgeben, wobei die Spulen in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom betrieben werden. Drehmoment wird unter Verwendung eines Paares von entgegengesetzt verschalteten Abfühlspulen zur Messung eines Differenzsignals, das von den Flüssen der beiden Bänder herrührt, abgefühlt. Leider hat das Vorsehen von ausreichend Platz für die benötigten Erregungs- und Abfühlspulen auf und um die Vorrichtung herum, auf welcher der Sensor verwendet wird, praktische Probleme bei Anwendungen verursacht, wo Platz hoch zu bewerten ist. Auch erscheinen solche Sensoren als unbrauchbar teuer zur Verwendung auf stark unter Kostenkonkurrenz stehenden Vorrichtungen, wie etwa Fahrzeuglenksystemen.
Die Ausgangssignale von bekannten berührungslosen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmern entstehen als Ergebnis von Änderungen einer magnetischen Eigenschaft eines Elements, welches so angeordnet ist, dass es in einer brauchbar korrelativen Weise durch das interessierende Drehmoment mechanisch verspannt wird. Bei allen solchen bekannten Vorrichtungen ist in der einen oder anderen Form die effektiv abgefühlte magnetische Eigenschaft eine Permeabilität u. Dies ist aus der Tatsache heraus verständlich, dass die Ausgangssignale dieser Vorrichtungen von einer magnetischen Flussdichte B eines Flusses abgeleitet werden, welcher ansprechend auf ein Erregungsfeld H mit B = uH entsteht, u lässt sich zwar durch die mechanische Spannung und damit durch das übertragende Drehmoment deutlich ändern, ihr tatsächlicher Wert für eine bestimmte mechanische Spannung hängt aber stark sowohl von inneren als auch strukturellen Eigenschaften des magnetoelastisch aktiven Materials, das das Element bildet, sowie von seiner Temperatur ab. Ferner ist u auch stark von? abhängig, und zwar in einer Weise, die weder linear noch monoton ist. Das effektive Feld H selbst ist empfindlich auf Amplitude und Frequenz der elektrischen Ströme, von welchen es im Allgemeinen hergeleitet wird, sowie der Verteilung von Permeanzen des zugehörigen magnetischen Kreises. Temperatureffekte auf den Spulenwiderstand, Abmessungen von Luftspalten, Leckflüsse in Verbindung mit Permeabilitäten von Jochen und anderen Hilfsabschnitten des magnetischen Kreises, Dielektrizitätskonstanten, parasitäre Kapazitäten zwischen Wicklungen und anderen leitfähigen Elementen sowie andere Faktoren können alle einen signifikanten Einfluss auf den abgefühlten Wert von B, unabhängig von Änderungen des Drehmoments, haben. Die Grundschwäche dieser bekannten Herangehensweise an magnetoelastische Drehmoment-Messaufnehmer wird also darin gesehen, dass die abgefühlte Größe, d. h. B, eine starke und komplexe Abhängigkeit von vielen Variablen und eine vergleichsweise geringe Abhängigkeit von Verwindungsspannungen hat, mit dem unerwünschten Ergebnis, dass die abgefühl ten Änderungen von B nicht unzweideutig eine Änderung des Drehmoments angeben.
Versuche dieses Problem bekannter Vorrichtungen zu überwinden, verwenden Aufbauten, die zwei getrennte B-abhängige Signale vorsehen, welche gleiche Ruhewerte, aber entgegengesetztes Ansprechen auf Drehmoment haben, zusammen mit Mitteln zur differenziellen Kombination der beiden Signale; die Idee besteht dabei darin, Gleichtaktänderungen von B bei gleichzeitiger Verdopplung der Empfindlichkeit auf Drehmoment bezogene Änderungen zurückzuweisen. Das Erfordernis nach einem Null- Ausgangssignal bei angelegtem Null-Drehmoment erfordert große Sorgfalt bei der Erstellung präziser Symmetrie in den beiden B-Sensoren und präziser Gleichheit sowohl des Ruhe-u in den beiden Bereichen des getesteten Elements als auch der Erregungsfelder. Die Komplexitäten, die mit der Verwirklichung der nachgesuchten Vorteile dieser Aufbauten im Sensorabschnitt sowie in den zugehörigen elektronischen Schaltungen, die für das Vorsehen temperaturkompensierender Erregungsströme und die Signalaufbereitung benötigt werden, in Verbindung stehen, erhöhen sowohl die Kosten als auch die Abmessungen eines vollständigen Messaufnehmers und vermindern dabei im Allgemeinen seine Anpassbarkeit, Wartbarkeit und Zuverlässigkeit.
Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus EP-A-0 525 551 bekannt. Ähnliche Vorrichtungen werden beschrieben bei Garshelis I. J.: "A Torque Transducer Utilizing A Circularly Polarized Ring", Proceedings of the International Magnetics Conference (Intermag), St. Louis, 13.-16. April 1992, 13.04.1992 IEEE, Seite AD08, XP000341743 und "A Non-contact Torque Sensor Using a Shape Memory Alloy", Research Disclosure, Nr. 359, 01.03.1994, Seite 134, XP000440531.
Aus US-A-4 989 460 und DE-A-34 37 379 sind magnetoelastische Drehmomentsensoren eines anderen physikalischen Konzepts bekannt, bei welchen axial in Abstand liegende ringförmige Bänder, die der Oberfläche eines unter Drehmoment stehenden Elements zugeordnet sind, vorgesehen sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher für sein Arbeiten auf dem Abfühlen einer Größe beruht, die inhärent null ist, wenn das unter Messung befindliche Drehmoment null ist, und welche sich sowohl in Richtung als auch Größe entsprechend dem in Messung befindlichen Drehmoment ändert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, bei welchem der Null-Wert der abgefühlten Größe unter Null-Drehmomentsbedingungen im Wesentlichen unbeeinflusst von Temperatur, Winkellage des rotierenden unter Drehmoment stehenden Elements, seiner Drehgeschwindigkeit und von irgendwelchen radialen oder longitudinalen Luftspalten zwischen dem unter Drehmoment stehenden Element und den die Messgröße abfühlenden Mitteln ist. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher kein Erregungsfeld benötigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen benötigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher einen magnetoelastisch aktiven Abschnitt umfasst, der mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichte Achse ausgestattet und im Wesentlichen in Umfangsrichtung magnetische polarisiert ist.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen benötigt und bei welchem die abgefühlte Messgröße durch Festkörpervorrichtungen in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen benötigt und bei welchem die integrierte Schaltungsvorrichtung Mittel zur Kompensation von Änderungen der Übertragungsfunktion enthält, die von Temperaturänderungen herrühren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen benötigt und bei welchem eine integrierte Schaltungsvorrichtung - eine Kompensation zur Ausweitung des Bereichs, über welchen hinweg die Ausgabe linear ist, liefert.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, welcher weder Erregungsströme noch Spulen benötigt, einfach ist, bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann, für Anwendungen geeignet ist, die extreme Zuverlässigkeit erfordern, z. B. für das Abfühlen des Drehmoments, das einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs eingegeben wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein berührungsloses Verfahren zur Messung von Drehmoment zu schaffen, welches folgende Schritte aufweist: Anbringen, an einem unter Drehmoment stehenden rotierenden Element, eines Umfangs-Messaufnehmers, welcher mit einer effektiven unaxialen magnetoelastischen Anisotropie ausgestattet und in der Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist, was ein Feld erzeugt, das ansprechend auf die auf den Messaufnehmer aufgebrachte mechanische Spannung variiert, und Messen einer Komponente der Feldausgabe des Messaufnehmers als Angabe des auf das rotierende unter Drehmoment stehende Element wirkenden Drehmoments.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, bei welchem die Notwendigkeit für Abschirmungsstrukturen zur Vermeidung einer Schwankung des festgestellten Magnetfelds als Folge von Umgebungsfeldern minimiert oder beseitigt ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmer zu schaffen, bei welchem das festgestellte Feld im Wesentlichen auf externe Magnetfeldquellen, wie etwa Umgebungsfelder, unempfindlich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines magnetoelastischen Drehmoment-Messaufnehmers, welcher einen magnetoelastischen aktiven Abschnitt aufweist, welcher zwei oder mehr axial unterschiedene, magnetisch aneinander anschließende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche enthält.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines magnetoelastisch aktiven Messaufnehmers mit zwei oder mehr axial getrennten, magnetisch aneinander anschließenden, entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereichen zu schaffen.
Dieses und andere Aufgaben werden gelöst durch Schaffung eines Drehmomentsensors, wie er in Anspruch 1 definiert ist. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der magnetoelastisch aktive Abschnitt einen Ring aus einem Material, welches mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie so, dass die Umfangsrichtung die leichte Achse ist, ausgestattet und in einer im Wesentlichen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist. Der Ring ist an dem unter Drehmoment stehenden Element, beispielsweise einer rotierenden Welle, so angebracht, dass das Aufbringen eines Drehmoments auf die Welle auf den Ring übertragen wird. Das Drehmoment auf dem Ring orientiert die magnetische Umfangsorientierung des Rings um, was eine wendelförmige magnetische Orientierung zeugt, die sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist. Ein Magnetfeld vektor-Sensor ist in einer festen Lage in Bezug auf den Ring angebracht und so orientiert, dass er auf das Feld, das von der Axialkomponente der Magnetisierung innerhalb des Rings herrührt, anspricht. Der Magnetfeldvektor-Sensor kann, falls gewünscht, an einem Flusssammler angebracht sein. Die Ausgabe des Sensors ist so proportional zur Änderung der Orientierung der Magnetisierung in dem Ring, die von dem auf die Welle aufgebrachten und auf den Ring übertragenen Drehmoment herrührt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden diese und andere Aufgaben gelöst, indem ein Drehmomentsensor vorgesehen wird, bei welchem der magnetoelastisch aktive Abschnitt zwei oder mehr axial unterschiedene, magnetisch aneinander anschließende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche enthält. Jeder Bereich kann einen körperlich getrennten Ring aufweisen, oder es können Mehrfachbereiche auf einem einzelnen Ring ausgebildet sein.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Drehmomentabfühlverfahren, wie es in Anspruch 36 definiert ist, und einen Messaufnehmerring, wie er in Anspruch 56 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 35 und 37 bis 55 definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die den Sensor der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Graph, welcher die lineare Übertragungsfunktion eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Hall-Effektsensors zeigt;
Fig. 3a bis 3g sind Ansichten verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche ein Magnetflusssammeljoch enthalten;
Fig. 4 ist eine Zusammenstellungszeichnung, welche einen Auffrischmagneten zeigt, der zur Verwendung in Verbindung mit dem Sensor der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
Fig. 5a und 5b sind Graphen, welche die Wirkung eines zunehmenden polarisierenden Felds auf den remanenten Magnetismus in dem Messaufnehmer der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Messaufnehmers der vorliegenden Erfindung durch Drehen durch das Feld eines Magneten zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Messaufnehmers der vorliegenden Erfindung durch
Durchleiten von Strom durch einen toroidal gewickelten Leiter zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, welches die magnetische Polarisation des Messaufnehmers der vorliegenden Erfindung durch Versetzen eines Magneten längs der Außenseite des Messaufnehmers zeigt;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, welche ein Abstandsteil mit niedriger Permeabilität zeigt, das zwischen dem Messaufnehmer der vorliegenden Erfindung und einer Maschinenwelle angebracht ist;
Fig. 10 ist eine Schnitt ansieht, welche eine Verbindungsbuchse zeigt, die über einem weggeschnittenen Abschnitt einer Maschinenwelle angebracht ist, und auf welcher der Messaufnehmer dann angebracht wird;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Messaufnehmers mit Rillen, die in seiner Innenseite in Richtung seiner Längsachse zur Aufnahme ähnlicher Aufbauten auf einer Welle geschnitten sind;
Fig. 12 ist eine Draufsicht eines Messaufnehmers mit Rillen, die an seinen Rändern zur Aufnahme ähnlicher Aufbauten auf einer Welle geschnitten sind;
Fig. 13 ist eine Draufsicht eines Messaufnehmers, der um seinen Umfang herum Perforationen zur Aufnahme eines die Messaufnehmer und Welle verbindenden Klebstoffs aufweist;
Fig. 14 veranschaulicht ein Anbringen des Messaufnehmers der vorliegenden Erfindung auf einer Welle durch interne Dehnpassung unter Verwendung eines Dorns;
Fig. 15 zeigt den Aufbau der Fig. 14 nach Aufweitung der Welle;
Fig. 16 zeigt einen Wellenaufbau, der zur Verwendung mit dem Innenaufweitungsvorgang der Fig. 14 geeignet ist und welcher in einem Mittelbereich abgedreht ist, um die Aufweitung des Messaufnehmers in dem zentralen axialen Bereich zu minimieren;
Fig. 17 ist eine Schnittansicht, welche eine Anordnung zum Aufbringen einer axialen Kompression auf den Messaufnehmerring zeigt;
Fig. 18 ist eine Schnittansicht, welche eine weitere Anordnung zur Aufbringung axialer Kompression auf den Messaufnehmerring zeigt;
Fig. 19 ist eine Schnittansicht, welche eine Anordnung zur Aufbringung radialer Kompression auf den Messaufnehmerring zeigt;
Fig. 20a bis 20e veranschaulichen verschiedene Messaufnehmerring- und Wellenaufbauten zur Vermeidung von Randeffektproblemen;
Fig. 21 veranschaulicht eine Weise der Anbringung des Messaufnehmerrings auf der Welle zur Verstärkung der Drehmomentübertragung zwischen diesen;
Fig. 22 veranschaulicht einen Beispielsaufbau des Messaufnehmerrings und der Welle vor der Montage zur Erzielung sowohl einer Drehmomentübertragung als auch einer Reifenspannung;
Fig. 23 veranschaulicht den Aufbau der Fig. 22 mit auf die Welle aufgeschobenem und auf dieser positioniertem Messaufnehmerring;
Fig. 24 veranschaulicht den Aufbau der Fig. 23 mit auf der Welle an seinen Endabschnitten verriegeltem Messaufnehmerring;
Fig. 25 ist eine Zusammenstellungszeichnung, welche den zwei entgegengesetzt polarisierte Messaufnehmerringe verwendenden Sensor der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 26 veranschaulicht graphisch die festgestellte radiale Feldintensität als Funktion der Axialposition längs des Ringes für einen Einbreitenring, einen Doppelbreitenring und zwei Einbreitenringe;
Fig. 27 ist eine Zusammenstellungszeichnung, welche den Sensor der vorliegenden Erfindung zeigt, der einen einzelnen Messaufnehmerring mit zwei axial unterschiedenen, entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereichen verwendet;
Fig. 28 ist eine Zusammenstellungszeichnung, die den Sensor der vorliegenden Erfindung, der einen einzelnen Messaufnehmerring mit nicht-polarisierten Umfangsendbereichen und zwei axial unterschiedenen, entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereichen dazwischen verwendet, zeigt.
Fig. 29 veranschaulicht einen Sensor der vorliegenden Erfindung, bei welchem nicht-polarisierte Umfangsendbereiche und axial unterschiedene, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche als Teil der Oberfläche der Welle ausgebildet sind;
Figur. 30(a) veranschaulicht einen Sensor der vorliegenden Erfindung mit drei polarisierten Bereichen und Fig. 30(b) veranschaulicht graphisch die festgestellte Feldintensität eines solchen Sensors als Funktion der Axialposition;
Fig. 31(a) veranschaulicht einen Sensor der vorliegenden Erfindung mit vier polarisierten Bereichen und Fig. 31(b) veranschaulicht graphisch die festgestellte Feldintensität eines solchen Sensors als Funktion der Axialposition;
Fig. 32 veranschaulicht die Vorrichtung für und einen ersten Schritt in einem Verfahren zur Erzeugung multipler, entgegengesetzt polarisierter, aneinander anschließender Umfangsbereiche in einem Ring;
Fig. 33 veranschaulicht einen weiteren Schritt im Verfahren der Fig. 32;
Fig. 34 veranschaulicht einen weiteren Schritt im Verfahren der Fig. 32;
Fig. 35 veranschaulicht den abschließenden Schritt im Verfahren der Fig. 32;
Fig. 36 veranschaulicht den nach dem Verfahren der Fig. 32 bis 35 hergestellten Ring;
Fig. 37 veranschaulicht die graphische Beziehung zwischen umgeschlossenem Strom und Lage längs des Ringes für das Verfahren und die Vorrichtung der Fig. 33;
Fig. 38 veranschaulicht ein Verfahren und eine Vorrichtung für die gleichzeitige Polarisierung multipler Bereiche auf einem Messaufnehmerring;
Fig. 39 veranschaulicht ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung für das gleichzeitige Polarisieren von Mehrfachringen auf einem Messaufnehmerring; und
Fig. 40 veranschaulicht ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung für die gleichzeitige Polarisierung multipler Bereiche auf einem Messaufnehmerring.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezug zunächst auf Fig. 1 ist ein Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein bei 2 gezeigt. Der Drehmomentsensor 2 umfasst einen Messaufnehmer 4 und einen Magnet feldvektorsensor 6. Der Drehmomentsensor 2 ist auf einer Welle 8 angebracht, welche Teil einer (nicht gezeigten) Maschine ist und um eine zentrale Längsachse 10 rotiert. Drehmoment 12 wird auf einen Abschnitt der Welle 8 aufgebracht und durch diese auf einen anderen Abschnitt der Welle übertragen, wo die auf das Drehmoment 12 zurückgehende Bewegung der Welle 8 irgendeine nutzbringende Arbeit ausführt. Das Drehmoment 12 ist als bei Blick auf das sichtbare Ende der Welle 8 im Uhrzeigersinn seiend gezeigt, kann aber offensichtlich so aufgebracht werden, dass die Welle in einer von beiden oder beiden Richtungen, abhängig von der Natur der die Welle 8 enthalten den Maschine, drehen kann. Der Messaufnehmer 4 ist fest an der Welle 8 auf eine aus einer Anzahl von Weisen, die später noch zu erläutern sind, angebracht, und wirkt als Mittel zur Schaffung eines axial oder radial identifizierbaren, magnetoelastisch aktiven Bereichs auf der Welle 8. In der Praxis nimmt der Messaufnehmer 4 im Allgemeinen die Form einer zylindrischen Büchse oder eines zylindrischen Rings mit Endflächen 18 und 20, Innenfläche 23 und Außenfläche 24 an, die bzw. der geeignet an der Welle 8 an einem passenden Ort längs der Achse 10, der innerhalb des unter Torosionsspannung stehenden Bereichs der Welle 8 liegt, angebracht ist. Der Messaufnehmer 4 ist durch Vorbearbeitung oder als Nebeneffekt zu den Mitteln der Anbringung an der Welle 8 mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet. Außerdem ist der Messaufnehmer 4 durch irgendein wirksames Verfahren, von denen mehrere nachfolgend noch beschrieben werden, in der einen oder anderen Umfangsrichtung magnetisch polarisiert. Kurz gesagt, ist der Messaufnehmer 4 in einer im Wesentlichen reinen Umfangsrichtung 14 magnetisch polarisiert, wenigstens in dem Ausmaß, dass bei Abwesenheit von Drehmoment 12 (in einem Ruhezustand) er keine Nettomagnetisierungskomponente in Richtung der Achse 10 und keine Nettoradialmagnetisierungskomponenten hat. Es sind also Domänen, deren Magnetisierungen ursprünglich Komponenten im entgegengesetzten zirkulären Sinne hatten, im Wesentlichen beseitigt. Wenn die zirkuläre Anisotropie geeignet dominant ist, liegen alle Domänenmagnetisierungen innerhalb einer höchstens plus oder minus 45º Grenze und sind innerhalb genügend kleiner Volumina des Rings symmetrisch verteilt, um zu gewährleisten, dass kein unkompensierter externer Fluss durch den Magnetfeldvektorsensor 6 wahrnehmbar ist. Die geschlossene zylindrische Form des Messaufnehmers 4 erhöht die Stabilität der Polarisation des Messaufnehmers 4 durch Schaffung eines vollständigen Kreises.
Wie noch zu sehen sein wird, bewirkt, infolge des Aufbaus und der Bearbeitung des. Messaufnehmers 4 ein Aufbringen von Tors ions Spannung auf die Welle 8 und damit den Messaufnehmer 4 eine Umorientierung der polarisierten Magnetisierung im Messaufnehmer 4. Die polarisierte Magnetisierung wird mit zunehmender Torsionsspannung zunehmend wendelförmig. Die Wendelförmigkeit der. Magnetisierung im Messaufnehmer 4 hängt von der Größe des übertragenen Drehmoments ab, wobei die Händigkeit von der Gerichtetheit des übertragenen Drehmoments und den magnetoelastischen Eigenschaften des Messaufnehmers 4 abhängt. Die sich aus der Verwindung des Messaufnehmers 4 ergebende wendelförmige Magnetisierung weist sowohl eine Umfangskomponente in Richtung 14 als auch eine Axialkomponente längs der Achse 10 auf. Von besonderer Wichtigkeit ist, dass die Größe der Axialkomponente gänzlich von der Torsion im Messaufnehmer 4 abhängt.
Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist eine Magnetfeldvektorsensor-Vorrichtung, die so bezüglich des Messaufnehmers 4 angeordnet und orientiert ist, dass sie die Größe und Polarität des Felds abfühlt, das im Raum um den Messaufnehmer 4 herum als Ergebnis der Umorientierung der polarisierten Magnetisierung aus der Ruhe-Umfangsrichtung in eine mehr oder weniger steile wendelförmige Richtung ensteht. Der Magnet feldvektorsensor 6 liefert eine Signalausgabe, die die Größe des Drehmoments 12 widerspiegelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldvektorsensor 6 ein Hall-Effektsensor als integrierte Schaltung. Drähte 16 verbinden den Magnetfeldvektorsensor 6 mit einer Gleichspannungsquelle und übertragen die Signalausgabe des Magnetfeldvektorsensors 6 auf eine (nicht gezeigte) Empfangsvorrichtung, wie etwa eine Steuer- oder Überwachungsschaltung für die Maschine oder das System, welche bzw. welches die Welle 8 enthält.
Wegen der Symmetrie im Falle von Domänen des Messaufnehmers 4, die nicht exakt in Umfangsrichtung polarisiert sind, und wegen der reinen Zirkularität der anderen magnetischen Orientierung in anderen Domänen, liegt kein fühlbares Feld im Raum außerhalb des im Ruhezustand befindlichen, drehmomentfreien Messaufnehmers 4 vor. Es gibt in der Tat keine passiven, externen Mittel zur Erkennung, dass der Messaufnehmer 4 tatsächlich polarisiert ist. Die Wirkung der biaxialen Hauptspannungen, die der Übertragung von Drehmoment zugeordnet sind, fügt über die innere magnetoelastische Wechselwirkung des Materials des Messaufnehmers 4 einen zusätzlichen anisotropen Einfluss auf die Gleichgewichtsorientierung einer jeden Domäne hinzu, wodurch die effektive Richtung der leichten Achse einer jeden Domäne auf die nächstgelegene positive Hauptspannung hin (die Spannung ist Zugspannung im Materialien mit positiven Magnetostriktionen und Kompressionsspannung in Materialien mit negativen Magnetostriktionen) geändert wird. Die ursprüngliche Symmetrie oder reine Zirkularität der Magnetisierung wird also durch Aufbringen von Drehmoment gebrochen, so dass eine Nettohelizität in der Magnetisierung innerhalb des Messaufnehmers 4 erscheint. Diese Helizität, kombiniert mit der einen zirkulären Richtung der Polarisation, führt zu einer Magnetisierung, die in zwei Komponenten zerlegt werden kann: eine Umfangskomponente und eine Axialkomponente. Während die Umfangskomponente, wie bereits erwähnt, keine Quelle nachweisbarer Felder im Raum außerhalb des Messaufnehmers 4 ist, lässt sich die Axialkomponente ohne weiteres nachweisen. Der Messaufnehmer 4 erzeugt, wenn er unter Drehmoment gesetzt wird, ein externes Feld, das von demjenigen eines rohrförmigen Stabmagneten, wobei die axiale Magnetisierung des Stabmagneten gleich der volumetrisch gemittelten Axialkomponente der wendelförmig gerichteten Magnetisierung einer jeden Domäne ist, ununterscheidbar ist. Die Richtung von aufgebrachtem Drehmoment bestimmt also (zusammen mit dem Vorzeichen der effektiven Magnetostriktion des Materials des Messaufnehmers 4) die Polarität des Äquivalent-Stabmagneten, und die Größe des Drehmoments bestimmt die Stärke des Äquivalent-Stabmagneten.
Unter Bezug nun auf die Fig. 3a bis 3g ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Joch 26 aus magnetisch weichem (niedrige Koerzitivkraft, hohe Permeabilität) Material in Verbindung mit dem Magnetsensor oder den Magnetsensoren 6 vorgesehen. Das Joch 26 ist ein Mittel zur Erhöhung der Permeanz des geschlossenen Flussweges durch den Magnetfeldvektorsensor 6 und ist auch ein Mittel zum Sammeln von Fluss aus Umfangsabschnitten des Messaufnehmers 4, die weiter weg vom Magnetfeldvektorsensor 6 liegen. Das Joch 26 ist insbesondere bei integrierten Hall-Effektschaltungen nützlich, da diese Vorrichtung zu verhältnismäßig hohen Rauschpegeln neigen, die mit abnehmender Frequenz zunehmen. Es ist also vorzuziehen, diese Vorrichtungen unter Verwendung eher höherer als niedrigerer Feldstärken zu betreiben, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu erhöhen.
Wie in Fig. 3a gezeigt, ist der Magnetfeldvektorsensor 6 vorzugsweise in der Nähe der Kante 18 (oder der Kante 20) des Messaufnehmers 4 angeordnet, da die Orientierung des Magnetfelds aus dem Messaufnehmer 4 diktiert, dass die größere Feldintensität in der Nähe der Kanten 18 und 20 des Messaufnehmers 4 vorhanden ist und nicht so sehr in anderen Bereichen in der Nähe des Messaufnehmers 4. Bei dieser Ausführungsform ist das Joch 26 ein allgemein stabförmiger Flusssammler, der an einer Seite von Messaufnehmer 4 und Welle 8 angeordnet ist. Das Joch 26 weist Fortsätze 28 und 30 an seinen Enden in der Nähe der Kanten 18 und 20 des Messaufnehmers 4 auf. Der Magnetfeldvektor-Sensor 6 ist am Fortsatz 30 zwischen Joch 26 und Messaufnehmer 4 angebracht.
Fig. 3b zeigt ein Joch 26, welches aus zwei Segmenten 32 und 34 zusammengesetzt ist, wobei die Vorsprünge 28 und 30 sich jeweils zum Messaufnehmer 4 erstrecken. Der Magnetfeldvektorsensor 6 ist axial (im Bezug auf Welle 8) zwischen Joch segment 32 und Jochsegment 34 angeordnet und vervollständigt einen magnetischen Weg von der Kante 18 des Messaufnehmers 4 durch Luftspalt 36, Jochsegment 32, Magnet feldvektorsensor 6, Jochsegment 34, Luftspalt 38 zur Kante 20 des Messaufnehmers 4.
Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführungsform des Jochs 26, die allgemein ähnlich der Ausführungsform der Fig. 3b ist und bei welcher der Magnetfeldvektorsensor 6 radial zwischen Jochsegmenten 32 und 34 angeordnet ist; d. h., der magnetische Weg verläuft vom Jochsegment 32 radial nach außen in Bezug auf die Welle 8, durch Magnetfeldvektorsensor 6 und weiter radial nach außen zum Jochsegment 34.
Fig. 3d ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Jochs 26. Die Ausführungsform der Fig. 3d ist ähnlich der Ausführungsform der Fig. 3c, aber in dieser Ausführungsform sind Jochsegmente 32 und 34 stabförmig und in der Nähe der Außenfläche 24 des Messaufnehmers 4 längs verschiedener Mittelachsen, die jeweils parallel zur Achse 10 der Welle 8 sind, ausgerichtet. Der Magnetfeldvektor-Sensor 6 ist zwischen den Enden der Jochsegmente 32 und 34 angeordnet. Der Weg vom Jochsegment 32 zum Jochsegment 34 durch den Magnetfeldvektorsensor 6 ist also in Umfangsrichtung um den Messaufnehmer 4 und die Welle 8 herum und quer zur Mittellängsachse der Jochsegmente 32 und 34.
Fig. 3e zeigt noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher zwei Magnetsensoren 6 verwendet werden. Die Magnetsensoren 6 sind an entgegengesetzten Enden des Messaufnehmers 4 in der Nähe der Kanten 18 und 20 angeordnet und sind durch ein einfaches stabförmiges Joch 26 verbunden. Mehrfachsensorausführungsformen erhöhen die Kosten der Vorrichtung, sind aber wünschenswert, weil die Magnetsensoren 6 zur Gleichtaktabweisung von Temperaturschwankungen, Spannungsschwankungen und Umgebungsfeldsignalen differenziell verschaltet werden können. Wahlweise können zur Minimierung von Umgebungsfeldeffekten die Magnetsensoren 6 durch eine Abschirmung 39 aus einem Material mit sehr niedriger magnetischer Permeabilität abgeschirmt werden. Die Abschirmung 39 kann die Magnetsensoren 6 in allen Richtungen, die von der Richtung des vom Messaufnehmer 4 erhaltenen Flusses verschieden sind, umgeben.
Natürlich könnte eine größere Anzahl von Magnetsensoren 6, falls gewünscht, ebenfalls verwendet werden. In der in Fig. 3f gezeigten Ausführungsform werden vier Magnetsensoren 6 verwendet, wobei zwei diametral gegenüber zu den beiden anderen in Bezug auf den Messaufnehmer 4 angeordnet sind.
Fig. 3g zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Sensors 2 der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform besteht das Joch 26 aus zwei rechtwinkligen stabförmigen Segmenten 40 und 42. Schenkel 44 der Segmente 40 und 42 enden in der Nähe der Welle 8 im Bereich der Kanten 18 und 20 des Messaufnehmers 4. An ihren Enden verbinden die Schenkel 44 zu einem Umfangsabschnitt 41 des Jochs 26. Die Umfangsabschnitte 41 können einen Teil der Welle 8 oder die gesamte Welle 8 umgeben und Fluss aus einem Umfangsbereich aufsammeln. Der Fluss wird einen Schenkel 44 hinauf zu einem schmalen, schräg zulaufenden Luftspalt 46 geleitet, wo "fransender" Fluss durch den Magnetfeldvektorsensor 6 zum anderen der Segmente 40 und 42 geleitet wird. Der Spalt 46 ist vorzugsweise von der Größenordnung einiger Tausendstel inch, oder weniger, über seinen engsten Punkt hinweg und liefert so in dem Bereich ein intensives Feld. Dieser Spalt ist axial, ähnliche Anordnungen könnten aber auch Spalte verwenden, die radial oder in Umfangsrichtung in Bezug auf den Messaufnehmer 4 orientiert sind.
Die in den Fig. 3a bis 3g gezeigten Joche 26 leisten mehrere nützliche Funktionen. Neben einer Konzentration des aus einem größeren Bereich gesammelten Flusses und einem Leiten desselben zu dem oder durch den Magnetfeldvektorsensor 6 vermindern die Joche 26 die Wirkungen von Inhomogenitäten des axialen magnetischen Moments, die an verschiedenen Umfangsorten um den Messaufnehmer 4 herum vorhanden sein können. In Extremfällen einer solchen Inhomogenität oder einer Unrundheit (Exzentrizität) der Welle kann es wünschenswert sein, ein Joch 26 vorzusehen, das den Messaufnehmer 4 voll umschließt. Ein solches Joch könnte aus koaxialen Ringen aus weichmagnetischem Material an jedem Ende des Messaufnehmers 4, aber radial getrennt von ihm aufgebaut sein. Die flusssammelnden Teile würden (mit minimalen Übergangsspalten) an anderen Teilen des Jochs 26 fest angebracht sein, das so gestaltet ist, dass es den gesammelten Fluss zum Magnetfeldvektorsensor 6 leitet.
Experimente mit dem polarisierten Messaufnehmer 4 gemäß der vorliegenden Erfindung legen nahe, dass seine magnetischen Eigenschaften über die Zeit, Temperaturauswanderungen, Schwingungen (Spannung in verschiedenen Moden) und fortgesetzten Drehmomentzyklen stabil sind. Insbesondere der polarisierte Messaufnehmer 4 mit seiner geschlossenen Ringform befindet sich im niedrigst möglichen Energiezustand und daher im stabilsten Zustand. Im entmagnetisierten Zustand befindet sich potentielle Energie in den Domänenwänden sowie in lokalen Spannungen als Folge einer "Fehlpassung" von Domänen mit nicht-kohärenten spontanen Magnetostriktionen und in den mikroskopischen Feldern in der Nachbarschaft von Bereichen, wo die lokale Magnetisierung ihre Richtung ändert.
Sollte in Zusammenhang mit der Langzeitstabilität der durch den Messaufnehmer 4 erzeugten Felder ein Problem auftreten, kann ein fester Auffrischmagnet 47 in der Maschine oder dem System in der Nähe des rotierenden Messaufnehmers 4 vorgesehen sein, wie diese in Fig. 4 dargestellt ist. Das Hinzufügen dieser Magnetkomponente schafft eine kontinuierliche magnetische Kraft auf den Messaufnehmer 4 mit niedrigem Niveau, welche trachtet, die gewünschte Polarisation des Messaufnehmers 4 aufrechtzuerhalten. Der Magnet 47 kann verhältnismäßig schwach sein, da er nicht so stark zu sein braucht, dass er den gesamten Messaufnehmer 4 tatsächlich polarisiert, sondern muss nur in der Lage sein, eigensinnige Domänen zu korrigieren, die bei längerem Betrieb der Vorrichtung im Feld entstehen. Ein kleiner aufgeklebter Ferritmagnet 47 mit einer Länge die etwa gleich der Länge des Messaufnehmers 4 längs der Achse 10 ist, und welcher über seine Dicke hinweg magnetisiert ist (mit N-Pol auf einer Fläche und S-Pol auf der anderen, wie gezeigt), kann verwendet werden.

Magnetsensoraufbau

Der Magnetfeldvektorsensor 6 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Festkörper-Sensorvorrichtungen, wie etwa Hall- Effekt-, Magnetwiderstands-, Magnettransistor-("Magnistor"-), Magnetdioden- oder MAGFET-(magnetischer Feldeffekttransistor)Sensoren. Zu anderen möglichen Sensoren gehören nichtlineare Kerne mit magnetischen Eigenschaften, die mit H variieren. Magnetometer, Fluxgate-Magnetometer und Spulen (entweder umschließend oder in der Nähe, flussunterbrechend und mit einer induzierten EMK proportional zu dφ/dt).
Die Festkörper-Sensoren sind bei der vorliegenden Anwendung wegen ihrer kleinen Größe und niedrigen Kosten sowie deswegen bevorzugt, weil sie in einer integrierten Komponente wünschenswerte Elektronik zur Temperaturkompensation, Signalaufbereitung, Spannungsregelung und zu anderen Betriebsfunktionen enthalten können. Hall-Effekt-Sensoren sind besonders bevorzugt, da sie, wie in Figur. 2 gezeigt, eine ideale Übertragungscharakteristik haben, die sowohl linear als auch polaritätsempfindlich ist. Einige integrierte Hall-Effekt-Sensor- Schaltungen, die zur Verwendung als Magnetfeldvektorsensor 6 geeignet sind, sind Modell TL173C von Texas Instruments, Modell Nr. AD22150 von Analog Devices, Modelle UGN3503U und UGN35030A von Allegro Microsystems, Inc. Ähnlich werden potentiell geeignete Vorrichtungen auch von MicroSwitch, Siemens und Wolff Controls Corporation hergestellt.
Der Magnetfeldvektor-Sensor 6 ist so angeordnet und orientiert, dass er eine maximale Antwort auf das externe Feld hervorbringt, das aus der Übertragung von Drehmoment entsteht. Wie aus der Äquivalenz von unter Drehmoment stehendem Messaufnehmer 4 und axial magnetisiertem Stabmagneten folgt, finden sich die intensivsten Felder in der Nähe der Pole, d. h., in der Nähe der Endflächen 18 und 20 des Messaufnehmers 4. Der Magnetfeldvektorsensor. 6 wird vorzugsweise in der Nähe der Welle 8 befestigt und rotiert nicht. Da die meisten Anwendungen des Drehmomentmessaufnehmers rotierende unter Drehmoment stehende Elemente, wie eine Welle 8, beinhalten, muss der Magnetfeldvektor-Sensor 6 radial von der Welle 8 getrennt sein, um einen körperlichen Kontakt mit der Welle 8, wenn die Welle 8 rotiert, zu vermeiden. Der exakte Ort und die exakte Orientierung des Magnetfeldvektorsensors 6 hängen zwar von seinem speziellen Arbeitsprinzip, der Packungsgröße, dem aktiven Bereich und anderen Einzelheiten des Aufbaus sowie von geometrischen und magnetischen Eigenschaften des Messaufnehmers 4 (z. B. der Schärfe von Ecken, der radialen Dicke, der axialen Länge, dem Durchmesser) sowie dem erforderlichen radialen Raum ab, ein ungefähr optimaler Ort für den Magnetfeldvektor-Sensor 6 findet sich üblicherweise aber radial auswärts von einem der Endflächen 18 und 20, so orientiert, dass radialer Fluss abgefühlt wird.
Der Magnetfeldvektor variiert auch in der Richtung im Raum um den Messaufnehmer 4 herum. In der Erkenntnis, dass Sensoren 6, z. B. Hall-Effekt-Vorrichtungen eine eindeutige Sensorachse haben, wird es möglich, die Sensorvorrichtung in einer vorteilhaften Weise relativ zur Wellenachse zu orientieren. Wenn der Sensor 6 vorteilhaft orientiert ist, wird der Abfall der Feldintensität (H) mit zunehmendem Abstand vom Messaufnehmer 4 durch eine zunehmende Empfindlichkeit des Feldsensors 6 für den Feldvektor mit enger Ausrichtung der Richtung des Feldvektors auf die Orientierung der Abfühlachse kompensiert. Anders ausgedrückt, nimmt, wenn θ der Winkel zwischen der eindeutigen Abfühlachse des Sensors 6 und dem Feldvektor ist und die Ausgabe des Sensors 6 proportional zu Hcos θ ist, Hcosθ so zu, dass die Abnahme von H weggehoben wird, obwohl H mit dem Abstand von den Messaufnehmerenden abnehmen kann. Die Notwendigkeit für eine exakte Steuerung des radialen Zwischenraums zwischen dem Messaufnehmer 4 und dem Sensor 6 ist also gemildert.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass eine im Messaufnehmer 4 auftretende Umfangsinhomogenität von viel kleinerer Größe, verglichen beispielsweise mit der Inhomogenität bei bekannten Drehmoment- Messaufnehmern, die lokale Sensoren verwenden, ist. Solche Sensoren fühlen lediglich einen kleinen lokalen Bereich (einen Punkt) auf der Wellenoberfläche ab, während der hier verwendete Magnetfeldvektorsensor 6 das axiale Feld aus einem Bereich, der sich über die volle axiale Länge des Messaufnehmers 4 erstreckt, abfühlt. Der Magnetfeldvektor-Sensor 6 mittelt also die lokalen Momente, die aus den vielen Domänen, längs einer Linie entstanden sind, statt nur einen einzelnen Punkt auf einer Linie abzufühlen.
Ein weiterer signifikanter Vorteil des Abfühlens bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das vom Magnetfeldvektorsensor 6 abgefühlte Feld nur durch die Richtung und die Größe des übertragenen Drehmoments moduliert wird. Unter den Bedingungen eines stationären Drehmoments gibt es keine zeitliche Veränderung dieses Felds. Anders als bei dem größten Teil bekannter Drehmoment-Messaufnehmer, bei welchen der abgefühlte Fluss durch eine hochfrequente magnetomotorische Kraft mit wechselnder Polarität zyklisch getrieben wird, liegt die Drehmomentinformation aus dem gegenständlichen Messaufnehmer gänzlich in der momentanen Flussdichte und nicht in Merkmalen eines periodischen Wellenträgers oder seiner zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit. Dies gestattet die Verwendung von Fest körper-Magnetsensoren 6, welche elektrische Ausgaben liefern, die proportional, zu B (Flussdichte) oder H (Feldstärke) sind, da sich der Sensor 6 in einem Luftspalt befindet, wo u (Permeabilität) = 1. Festkörper-Magnetsensoren sind kleiner, im Aufbau einfacher und billiger als Feldsensoren vom Spulentyp.
Obwohl, wie oben festgestellt, es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass Spulen nicht erforderlich sind, können in geeigneten Anwendungen auch Magnetsensoren 6, die Spulen verwenden, mit dem Messaufnehmer 4 verwendet werden. Kleine, Flux-Gate- (sättigbarer Kern) oder ähnliche Arten von Feldsensoren können verwendet werden, insbesondere wo die Umgebungsbedingungen für gegenwärtig verfügbare Festkörpervorrichtungen zu extrem sind. Flussverknupfungsarten von Feldsensoren sind ebenfalls verwendbar, sind aber, da sie Integratorschaltungen zur Umwandlung des dφ/dt- Signals in φ erfordern, weniger bevorzugt.

Messaufnehmeraufbau

Der Aufbau eines wirkungsvollen Messaufnehmers 4 gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert eine richtige Dimensionierung, richtige Materialauswahl und richtige Orientierung der Magnetisierung in dem Messaufhehmer 4.
Zunächst wird eine exemplarische Dimensionierung des Messaufnehmers 4 im Einzelnen diskutiert. In einem veranschaulichenden und bevorzugten Beispiel kann für eine Welle mit einem Durchmesser von 1/2" der Messaufnehmer 4 1/2" längs seiner Mittellängsachse lang sein, aus 18% Ni-Maraging-Stahl (T- 250), mit einer zentralen Bohrung von 0,499 bis 0,498 inch zur Schaffung eines Festsitzes auf der Welle 8 und mit einer Wanddicke in einem Bereich von 0,030 bis 0,050 inch. Die Abmessungen des Messaufnehmers 4 können jedoch bei besonderer Anwendung gemäß den folgenden allgemeinen Richtlinien variieren.
Eine relativ geringe Wandstärke ist für den Messaufnehmer 4 üblicherweise wünschenswert. Die Spannung im Messaufnehmer 4 variiert linear von null in der Mitte (wenn der Messaufnehmer 4 ein massiver Zylinder ist) oder einem größeren Wert an der inneren Oberfläche 22 zu einem Maximum an der äußeren Oberfläche 24. Es wäre möglich, einen Messaufnehmer 4 in Form eines massiven Zylinders herzustellen, der in einer Unterbrechung der Welle 8 zwischengelegt sein könnte. Ein massiver zylindrischer Messaufnehmer 4 würde jedoch das Material sowohl mechanisch als auch magnetisch ineffizient nutzen. Der Mittelabschnitt würde nicht nur geringes Drehmoment übertragen, sondern der Gradient der axialen Magnetisierungskomponente, der auf der Oberfläche am höchsten ist, bedeutet auch, dass einiger Oberflächenfluss in dem Versuch abgelenkt würde, das innere Material axial zu magnetisieren, was die Flussmenge reduziert, die zur Messung mit dem Magnetfeldvektorsensor 6 zur Verfügung steht.
Wenn am anderen Extrem der Messaufnehmer 4 zu dünn ist, ist ein unzureichendes Volumen an Material vorhanden, das zum externen Magnetfeld beiträgt. Das Feld ist proportional zu dem magnetischen Moment, aus welchem es herrührt, und das magnetische Moment = MV, wobei M die Axialkomponente der Magnetisierung und V das Volumen des so magnetisierten Materials ist.
Die axiale Länge des Messaufnehmers 4 hängt teilweise von der Dicke der Welle ab. Ein Zylinder, bei dem die axiale Länge unverhältnismäßig kleiner als sein Durchmesser ist, ist schwierig auf der Welle 8 zu montieren und daran zu befestigen. Wenn beispielsweise der Messaufnehmer 4 auf der Welle durch einen Presssitz gehalten wird, kann der Sitz enger sein, wenn der Messaufnehmer 4 dicker und länger ist.
Wenn die axiale Länge zu kurz ist, ist das Feld, das sich aus der Axialkomponente der Magnetisierung ergibt, ungleichförmig und schwierig abzufühlen. Wie weiter oben festgestellt, erzeugt der unter Torsionsspannung stehende Messaufnehmer 4 ein äquivalentes Feld zu demjenigen eines Stabmagneten mit einem Pol an jedem Ende. Je enger diese Pole beieinander liegen, desto stärker ist das interne "entmagnetisierende Feld" des Magneten. Es gibt drei Energieausdrücke, die die Orientierung der Magnetisierung des Messaufnehmers 4 beeinflussen: (1) Anisotropie des Materials trachtet die Magnetisierung in Umfangsrichtung zu halten; (2) Magnetoelastische Kräfte trachten die Magnetisierung in einer 45º-Wendel auszurichten; und (3) das Entmagnetisierungsfeld trachtet die Axialkomponente des Magnetfelds zu reduzieren.
Das entmagnetisierende Feld nimmt mit der Axialkomponente der Magnetisierung zu. Das entmagnetisierende Feld wächst also in dem Maße wie magnetoelastische Kräfte die anisotropen Kräfte überwinden. Der Entmagnetisierungsfaktor (eine Zahl, die im Allgemeinen zwischen 0 und 4·PI liegt) wächst mit abnehmender Axiallänge und (nicht genauso schnell) mit zunehmender Dicke. Wenn im anderen Extrem der Messaufnehmer 4 übermäßige lang ist, ist eine viel größere externe magnetische Struktur erforderlich, um den magnetischen Kreis durch einen lokalen Feldsensor hindurch zu schließen. Für kleine Wellen ist eine Breite, die grob gleich dem Durchmesser der Welle ist, ein guter Ausgangspunkt für die Auslegung.
Die Materialauswahl zur Herstellung eines Messaufnehmers 4 ist kritisch, und die Materialien sollten ausgewählt werden, indem Eigenschaften verfügbarer Materialien mit den Leistungsanforderungen der Messaufnehmeranwendung in Übereinstimmung gebracht werden, und auch in Verbindung mit der Auswahl der Materialien für die Welle 8. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der Messaufnehmer 4 aus Nickel-Maraging- Stahl, wie etwa 18%-Nickel-Maraging-Stahl, aufgebaut.
Das ausgewählte Material muss ferromagnetisch sein, um die Existenz magnetischer Domänen zu gewährleisten, und muss magnetostriktiv sein, damit die Orientierung der Magnetisierung durch die mit dem aufgebrachten Drehmoment einhergehenden Spannungen geändert werden kann.
Andere Materialien als Nickel-Maraging-Stahl können, abhängig von den Merkmalen der Anwendung, auch geeignet sein. Die Materialien sollten im Hinblick auf die folgenden allgemeinen Kriterien ausgewählt werden.
Bei der Messaufnehmeranwendung geht das Feld, welches mit dem Drehmoment entsteht, auf die Diskontinuität der Axialkomponente der Magnetisierung an den beiden Enden des aktiven Bereichs zuruck. Diese Enden werden effektiv die Pole eines Stabmagneten. Dieses Feld nimmt mit der Sättigungsmagnetisierung, MS, des aktiven Materials zu. Je größer, dieses MS wird, desto größer die Diskontinuität. Formal ist divH = -divM = (in der Grenze) -0,7071 divMS), wobei 0,7071 = sin 45º.
Die Polarisation wird gegen Störfelder durch die hohe Anisotropie Ku aufrechterhalten. Ein größeres Ku ist daher bevorzugt. Die Magnetisierung wird jedoch durch mechanische Spannung leichter (weniger Drehmoment erfordernd) umorientiert, wenn LambdaS/Ku groß ist, wobei LambdaS die Sättigungsmagnetostriktion ist. Wenn daher eine hohe Empfindlichkeit gewünscht wird, dann sollte LambdaS groß in Bezug auf Ku sein. Wenn ein großer dynamischer Bereich gewünscht wird, sollte LambdaS/Ku so klein sein, dass 3(LambdaS) (Sigma)/Ku beim höchsten geforderten Drehmoment innerhalb des Linearbereichs verbleibt.
Zu anderen Materialien, die im Wesentlichen diese Kriterien erfüllen und daher, für den Aufbau des Messaufnehmers 4 verwendet werden können, gehören die folgenden:
- Andere Nickel-Maragings-Stähle.
- Andere Nickel-Eisenlegierungen, einschließlich sowohl binärer Legierungen als auch Stähle. Die binären Legierungen müssen nickelreiche (40%-50%) Legierungen umfassen, während Stähle 9-4-20 oder AISI 9310 umfassen können.
- Aluminium-Maraging-Stähle, die typischerweise 13% Aluminium enthalten, wie etwa Alfer (13% AI-Rest Fe), enthalten.
- Mangan-Maraging-Stähle, die den Vorteil haben, dass sie weniger teuer als Nickel-Maraging-Stähle sind.
- Permendur-Legierungen, wie etwa 49Co49Fe2V mit sehr hoher Magnetostriktion. Vanadium kann zugesetzt sein, um das Material leichter bearbeitbar zu machen und seine Festigkeit zu erhöhen. Ähnliche Legierungen mit einem niedrigeren Kobalt-Anteil können verwendet werden.
- Martensitischer rostfreier Stahl, einschließlich reiner Chromarten, wie etwa 410, 416 oder 440.
- Ferritischer rostfreier Stahl, wie etwa AISI 430.
- Ausscheidungshärtender rostfreier Stahl, wie etwa 15- 5 PH oder 17-4 PH.
- Amorphe und nanokristalline Materialien.
Der Messaufnehmer 4 kann in seiner Grundform aus dem ausgewählten Material mit irgendeinem geeigneten Materialbearbeitungsvorgang aufgebaut werden. Nach der Ausbildung des Messaufnehmers 4 werden zwei Schritte durchgeführt, um die gewünschte Umfangsorientierung des Magnetfelds dem Material des Messaufnehmers 4 aufzuprägen. Zunächst wird der Messaufnehmer 4 vor seiner Bearbeitung oder als Nebeneffekt seiner Anbringung an der Welle 8 mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet. Als nächstes muss der Messaufnehmer 4 in der einen oder anderen Umfangsrichtung polarisiert werden.
Der erste Schritt beim Einstellen der erforderlichen Magnetfeldorientierung besteht darin, der Struktur des Messaufnehmers 4 eine magnetische Ruheanisotropie in Umfangsrichtung aufzuprägen. Zur Erzielung einer effizienten Nutzung aller magnetischen Domänen, d. h. des gesamten Volumens des Messaufnehmers 4, sollte die Ruheanisotropie in jeder nicht mehr als 45º von der Umfangsrichtung abweichen. Damit alle magnetischen Domänen mit gleicher Wirksamkeit und symmetrisch sowohl für Drehmoment im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn ar beiten, sollten alle rein zirkulär, d. h., exakt in Umfangsrichtung, sein. Absolute Vollkommenheit in dieser Hinsicht ist jedoch nicht gefordert, um gute Arbeitsergebnisse zu erzielen; es ist lediglich notwendig, dass die magnetische Orientierung in jeder Domäne innerhalb von 45º des Ideals liegt.
Magnetische Anisotropie wird vorzugsweise durch physikalische Bearbeitung des Materials des Messaufnehmers 4 erzeugt. Jede physikalische Quelle einer magnetischen Anisotropie kann allein oder in Kombination verwendet werden, um.die gewünschte Verteilung von in Umfangsrichtung innerhalb von plus oder minus 45º liegenden Domänen-Ruheorientierungen zu erreichen. Eine der Quellen magnetischer Anisotropie ist magnetokristalline, d. h. "Kristallanisotropie", welche sich auf die bevorzugte Orientierung der magnetischen Momente ("spins") der Atome (ferromagnetischen Atome) in Richtungen, die zu den Achsen korreliert sind, welche die Kristallstruktur definieren, bezieht. Eine zweite Quelle magnetischer Anisotropie ist. Richtungsordnung, was sich auf die Verteilung von Atomarten, Gitterdefekten, Einschlüssen (Ausschlüssen) oder anderen chemischen oder strukturellen Merkmalen bezieht, die man in einer Richtung (oder in mehr als einer Richtung, aber nicht allen) findet. Eine dritte Quelle magnetischer Anisotropie ist magnetoelastische, welche mit der Gerichtetheit von Spannungen in Materialien mit spontaner magnetostriktiver Dehnung, die mit ihrem spontanen magnetischen Moment korreliert ist (magnetostriktions-ferromagnetisch), in Verbindung steht. Eine vierte Quelle magnetischer Anisotropie ist die Form des Materials, was mit der Divergenz von M an Materialgrenzen in Verbindung steht. Speziell entsteht ein entmagnetisierendes Feld an den "Polen" eines magnetisierten Körpers und ist stärker, wenn die Pole eng beieinander liegen. Von sphärischen Formen verschiedene Formen haben inhärent einige Achsen, die magnetische "leichter" als andere sind.
Irgendwelche oder alle dieser physikalischen Quellen für Anisotropie können beim Aufbau, des Messaufnehmers 4 verwendet werden. Als Beispiel entsteht ein Kristallgefüge aus verschiedenen Kombinationen von mechanischer Bearbeitung und Wärmebehandlung. Mechanische Bearbeitung, wie etwa Walzen, hat die Tendenz, die Kristalle auszurichten, da diese anisotrope Festigkeiten und Steifigkeiten haben. Die gewünschte magnetische Anisotropie könnte also durch Kaltwalzen des Messaufnehmers 4 zwischen zwei in engem Abstand liegenden Arbeitswalzen, die um Achsen parallel zur Mittellängsachse des Messaufnehmers 4 drehen, eingeführt werden. Ein weiteres Verfahren zur Erzielung der gewünschten Anisotropie würde darin bestehen, den Messaufnehmer 4 durch mechanisches Walzen eines kontinuierlichen schmalen Bandes des Materials des Messaufnehmers 4 in seiner Längsrichtung aufzubauen und dann den Messaufnehmer 4 durch spiralförmiges Wickeln des Streifens um die Welle 8 unter Verwendung eines Klebstoffes zum Instellunghalten des Streifens zu formen. Eine nachfolgende Wärmebehandlung von vorher gewalzten Materialien bewirkt Rekristallisation mit einem Kristallwachstum in Richtungen, die die Walzrichtung reflektieren, so dass die gewünschte Anisotropie verstärkt wird. Als weiteres Beispiel kann die Außenfläche 24 des Messaufnehmers 4 gewalzt (oder spanend bearbeitet) werden, um eine Folge von Umfangstegen und -mulden (eine Umfangsrändelung) zu erzielen, um so Formanisotropie (mit oder ohne Spannungsanisotropie) zu erzeugen.
Die vorgenannten Verfahren sind besonders brauchbar bei gewissen Anwendungen, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht jedoch vor, dass der Messaufnehmer 4 auf der Welle mit einem "Presssitz", "Schrumpf sitz" oder anderen Art von "Festsitz" montiert wird, wobei der Innendurchmesser des Messaufnehmers 4 kleiner als der Außendurchmesser der Welle an der Grenzfläche gehalten wird. Dieser Aufbau setzt den Messaufnehmer 4 in Umfangsspannung (bezeichnet als "Reifenspan nung"). Wenn der Messaufnehmer 4 aus einem Material mit positiver Magnetostriktion hergestellt ist, liefert diese Zugspannung inhärent die gewünschte zirkuläre Anisotropie. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da die magnetische Anisotropie als inhärente Funktion der Montage der Maschine erzeugt werden kann, was die Notwendigkeit eines vorhergehenden Verarbeitungsschrittes zur Herstellung einer magnetischen Richtungsanisotropie im Messaufnehmer 4 beseitigt.
In einem besonders bevorzugten Verfahren können der Innendurchmesser des Messaufnehmers 4 und/oder der Außendurchmesser der Welle 8 nach Montage zur Gewinnung dieses Reifenspannungszustands "justiert" werden, sofern geeignete Materialien für den Messaufnehmer 4 und/oder die Welle 8 gewählt werden. Wenn der Messaufnehmer 4 aus einem Maraging-Stahl hergestellt ist, schrumpft er während des Auslagerungsprozesses. Ähnlich dehnt sich die Welle 8 aus, wenn die Welle 8 einer martensitischen Umwandlung, etwa durch Abschrecken aus höherer Temperatur, unterworfen werden kann. Wenn der Martensit nur mäßig angelassen wird, bleibt er magnetisch hart und hat so eine niedrige Permeabilität, wie für die Welle 8 gefordert. Dieser Schrumpf sitz des Messaufnehmers 4 auf der Welle 8 erzeugt inhärent eine Umfangsreifenspannung im Messaufnehmer 4, die zusammen mit seiner positiven Magentostriktion die gewünschte magnetische Anisotropie liefert.
Umfangsanisotropie, beruhend darauf, dass der Messaufnehmerring unter Spannung gehalten wird, lässt sich durch axiale oder radiale Kompression sowie durch Umfangsspannung (d. h., "Reifenspannung") gewinnen. Während Reifenspannung eine unzweideutige leichte Umfangsachse erzeugt, gilt das gleiche nicht bei orthogonaler Kompression allein. Mit axialer Kompression ist die energetisch bevorzugte Magentisierungsorientierung also bei 90º gegenüber der Wellenachse, einer Orientierung, die gleich gut entweder durch radiale oder durch Umfangsmagnetisierung erfüllt wird. Es ist die Kombination die ser axialen Kompressionsspannungsanisotropie mit der Formanisotropie eines dünnen Rings, welche die umfängliche gegenüber der radialen Orientierung begünstigt. Bei radialer Kompression kann es sein, dass Formanisotropie allein nicht genügend Schutz davor liefert, dass die Magnetisierung in eine axiale Richtung fällt, insbesondere bei Gegenwart geeignet großer axialer Felder. Einige axiale Kompression und/oder Umfangs-Spannung zusätzlich zur radialen Kompression wäre nützlich, um die Stabilität der Umfangsmagnetisierungsorientierung zu gewährleisten.
Eine axiale Kompression wird leicht durch verschiedene Gewindeanordnungen oder mit Keilen, etc. oder durch vorübergehendes Aufbringen von externen Kompressionskräften auf den Messaufnehmerring und Feststecken oder sonstiges Verriegeln von Bunden oder ähnlichen Elementen an der Welle zum Halten des Ringes in Kompression nach Wegnahme der von außen aufgebrachten Kräfte sichergestellt und aufrechterhalten. In jedem Fall wird die Kompressionsspannung in dem magnetoelastisch aktiven Bereich (z. B. dem Messaufnehmerring durch elastische Spannungen in berührenden Teilen des Aufbaus) aufrechterhalten. Einige einfache Verfahren zum Halten des Rings unter axialer Kompression sind in den Fig. 17 und 18 gezeigt.
In Fig. 17 ist ein Messaufnehmerring 4 auf der Welle 8 so angebracht, dass ein Ende des Rings an einer Wellenschulter 200 anliegt und das andere Ende benachbart zu einem mit einem Außengewinde versehenen Abschnitt 202 der Welle 8 endet. Eine Mutter 204 mit Innengewinde, die auf den Gewindeabschnitt 202 der Welle geschraubt ist, wird zum Setzen des Rings 4 in axiale Kompression durch Vorschrauben der Mutter 204 zum Ring 4 verwendet, womit eine Unterlegscheibe 206 gegen den Ring 4 zusammengedrückt wird.
In Fig. 18 ist der Messaufnehmerring 4 zwischen Schultern 210, 212 von Wellenteilen 8a und 8b angebracht. Das Wellenteil 8a enthält eine Bohrung 214 mit Innengewinde, welche für die Aufnahme eines außen mit einem Gewinde versehenen Bolzens 216 des Wellenteils 8b eingerichtet ist. Mit dem Gewindeeingriff des Bolzens 216 in der Bohrung 214 wird der Messaufnehmerring 4 zwischen den Schultern 210, 212 der Wellenteile axial zusammengedrückt.
Eine alternative Anordnung für ein axiales Zusammendrücken des Messaufnehmerrings 4 besteht darin, eine Spannschlossanordnung zu verwenden, bei welcher ein gesondertes Bolzenteil mit linksgängigem und rechtsgängigem Außengewinde an seinen jeweiligen Enden mit einer entsprechend mit einem Innengewinde versehenen Bohrung in jedem der Wellenteile in Eingriff ist. Die Kompressionsspannung im Ring wird durch Anziehen der im Eingriff stehenden Gewindeteile erzeugt.
Der Messaufnehmerring 4 kann durch verschiedene externe Klemmmittel unter radiale Kompression gesetzt werden, z. B. indem eine eng sitzende Muffe oder ein ähnliches hohles Element über ihm radial nach innen gepresst wird. Ein im Schrumpf sitz aufgebrachtes Element kann ebenfalls verwendet werden. Ein besonders attraktives Verfahren zum Aufschrumpfen einer Muffe auf den Ring verwendet die Dimensionsänderung, die mit einer metallurgischen Phasenänderung einhergeht, z. B. die martensitische Umformung einer Formgedächtnislegierung, wie etwa Nitinol. Fig. 19 veranschaulicht dieses Verfahren, bei welchem eine Schrumpfsitzmuffe 220 den Messaufnehmerring durch radiales Schrumpfen nach innen über den Ring 4 auf der Welle 8 in radiale Kompression setzt.
Nach der Einführung der magnetischen Anisotropie in den Messaufnehmer 4 muss der Messaufnehmer 4 in der gewünschten Richtung, entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, um den Umfang des Messaufnehmers 4 herum polarisiert werden. Das Polarisieren des Messaufnehmers 4 (allgemeiner, des aktiven Elements) erfordert, dass alle Abschnitte einem genügend großen Feld in der gewünschten zirkulären Richtung ausgesetzt werden. Die erforderliche Größe des polarisierenden Felds wird durch das praktische Erreichen von Sättigungseffekten begrenzt. Eine Verwendung eines größeren Felds ändert nicht merklich das Arbeiten der richtig polarisierten Vorrichtung. Der Messaufnehmer 4 sollte dem Feld für eine Zeit ausgesetzt werden, die ausreicht, dass die gewünschten Polarisationseffekte des Felds stattfinden, dass Wirbelströme abklingen, und so, dass nichts mehr passiert, wenn das Feld länger aufrechterhalten wird. Fig. 5a veranschaulicht den Effekt einer Steigerung des polarisierenden Felds von Punkt A nach B nach C nach Punkt D, und die sich ergebende Zunahme des remanenten Magnetismus MR von A nach B nach C nach D. Wie in Fig. 5b gezeigt, gelangt MR bei einem Niveau H = HSAT effektiv in Sättigung, so dass eine weitere Steigerung von H keine zusätzliche Zunahme von MR erzeugt.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Polarisierung des Messaufnehmers 4 ist in Fig. 6 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird der Messaufnehmer 4 polarisiert, indem er in dem Feld in der Nähe zweier entgegengesetzter Magnetpole 48 und 49, wie beispielsweise durch einen Hufeisenmagneten 50 geliefert, gedreht wird. Während der Drehung des Messaufnehmers 4 wird der Magnet 50 radial nach innen in die Nähe des Messaufnehmers 4 (welcher während der Annäherung des Magneten 50 kontinuierlich dreht) bewegt, und nach wenigen Umdrehungen zur Stabilisierung der Wirkungen des Magneten 50 wird der Magnet 50 langsam so weit wegbewegt, dass er keine weitere Auswirkung auf die Magnetisierung des Messaufnehmers 4 mehr hat. Die bei diesem Verfahren durch den Magneten 50 verliehene Polarität hängt von der Orientierung der Pole des Magneten 50 ab und ist unabhängig von der Drehrichtung des Messaufnehmers 4.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines zirkulär gerichteten Felds besteht im Vorsehen eines Stroms in axialer Richtung in der Nähe des Messaufnehmers 4. Beispielsweise kann ein geeigneter großer unidirektionaler Strom direkt durch die Welle 8 geleitet werden, auf welcher der Messaufneh mer 4 montiert ist. Alternativ kann ein solcher Strom auch durch einen koaxialen Leiter geleitet werden, der durch die Mittelbohrung des Messaufnehmers 4 vor seiner Montage auf der Welle 8 geführt ist. Ferner kann, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Leiter 52, der einen Strom 54 in einer Richtung führt, wendelförmig um die Innenseite und die Außenseite des Messaufnehmers 4 gewickelt werden, um eine effektive Reihe von Leitern in der Nähe sowohl zur Innenfläche 22 als auch Außenfläche 24 des Messaufnehmers 4 auszubilden. Stromflüsse in entgegengesetzten axialen Richtungen innerhalb und außerhalb des Messaufnehmers 4 erzeugen zusätzliche Felder in den gleichen zirkulären Richtungen. Wickeln dieses Wendelmusters und nachfolgendes Entfernen desselben ist ein weniger gewünschter Weg der Polarisierung des Messaufnehmers 4. Für große Ringe jedoch könnte eine Magnetisierungsvorrichtung erstellt werden, bei welcher der in Fig. 7 gezeigte Leiter zweigeteilt aufgebaut ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Leiterteile durch Versetzen längs der Mittellängsachse des Messaufnehmers 4 an einer Bruchlinie 56 axial trennbar, damit der Messaufnehmer 4 eingefügt werden kann, wonach sie aufeinander zubewegt werden, um den wendelförmigen Kreis zu schließen. Nach Abschluss des Polarisierungsvorgangs werden die Leiterteile erneut in entgegengesetzten Richtungen längs der Mittellängsachse des Messaufnehmers 4 verschoben, damit der Messaufnehmer 4 entfernt werden kann.
Wenn das Einleiterverfahren gewählt wird, ist ein verhältnismäßig großer Strom erforderlich, insbesondere für einen Messaufnehmer 4 mit großem Durchmesser, da das Feld an der Oberfläche eines langen runden Leiters, der I Ampere führt, H = 2I/10r (H in Oersted; r ist der Radius des Leiters in cm). Für einen Messaufnehmer 4 mit einem Durchmesser von 2 cm (etwa 0,8 inch):
H = 2I(10 · 1 cm) = 0,2I
so dass 1000 Ampere erforderlich sind, um ein Feld von 200 Oersted zu erzielen. Ein zweckmäßiger Weg, mit einem Leiter 52 auf diese Weise zu magnetisieren (polarisieren) besteht darin, den Strom 54 mit einer monostabilen Schaltung zu steuern, die eine einzelne Halbwelle eines Wechselstroms von 60 Hz, d. h. die erste vollständige Halbwelle nach Schließen eines Schalters, durchlässt. Große Stromimpulse ließen sich auch aus der Entladung einer Kondensatorbank oder aus der Trägheit eines freilaufenden Generators sowie über andere dem Fachmann bekannte Verfahren erzielen.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist es auch möglich, den Messaufnehmer 4 mit einem Magneten 53 zu magnetisieren, der nicht so breit wie der Messaufnehmer 4 ist, indem er axial am Messaufnehmer 4 vorbei längs eines Weges 55 zugeführt wird, während der Messaufnehmer 4 kontinuierlich gedreht wird, und dieses Verfahren ist insbesondere nützlich für die Polarisation eines sehr großen Messaufnehmers 4.

Wellenaufbau

Der Aufbau der Welle 8 ist insofern wichtig für die Erfindung, als die Welle 8 das Arbeiten des Sensors 2 nicht stören sollte. Im Interesse der Empfindlichkeit ist es klar vorteilhaft, so viel wie möglich des axialen Flusses, der sich aus dem Drehmoment ergibt, durch den Magnetfeldvektorsensor 6 zu leiten. Die Welle 8 und der Messaufnehmer 4 sollten so aufgebaut sein, dass die Permeanz des geschlossenen Flussweges durch den Sensor bei gleichzeitiger Minimierung der Permeanz aller anderen Wege maximiert wird. Es ist daher wichtig zu vermeiden, dass Materialien mit hoher Permeabilität entweder axial oder radial in der Nähe der Ränder 18 und 20 des Messaufnehmers 4 vorliegen. Allgemein sollte es dem magnetische permeablen Material der Welle 8 nicht gestattet sein, einen magnetischen Weg am Messaufnehmer 4 zu erzeugen. Diese Einschränkung lässt sich auf mehrere Weisen erzielen. Unter Bezug auf Fig. 1 ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Welle 8 aus einem Material mit niedriger Permeabilität (d. h. para magnetischem Material) aufgebaut, und der Messaufnehmer 4 ist direkt auf der Welle 8 montiert. In einer anderen Ausführungsform ist, wie in Fig. 9 gezeigt, die Welle 8 ferromagnetisch und ein Abstandsteil niedriger Permeabilität zwischen Welle 8 und Messaufnehmer 4 angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 10 dargestellt ist, hat die Welle 8 einen wesentlich kleineren Durchmesser in einem Bereich 62 in der Nähe des Messaufnehmers 4, oder es ist (wie gezeigt) die Welle 8 im Bereich 62 völlig weggeschnitten. In beiden Fällen ist eine Verbindungsbüchse 64 aus einem Material mit niedriger Permeabilität zur Überbrückung des durch das Wegschneiden der Welle 8 erzeugten Zwischenraums vorgesehen. Der Messaufnehmer 4 wird dann auf der Verbindungsbuchse 64 montiert.
Es ist zu betonen, dass ein richtiges Arbeiten von Vorrichtungen, die unter Verwendung der Verfahren der Fig. 9 und 10 installiert sind, es erfordert, dass kein Schlupf zwischen irgendwelchen der Komponenten an ihren Übergangsflächen stattfindet. Jeder Zusammenbau muss als ein Körper über den gesamten theoretischen Drehmomentbereich wirken. D. h., der Messaufnehmer 4 muss an dem unter Drehmoment stehenden Element in einer solchen Weise angebracht sein, dass die Oberflächen- Scherverformung an deren Grenzfläche auf beiden die gleiche ist, d. h., kein Schlupf.
Etwas weniger offensichtlich, aber nicht weniger wichtig ist das Erfordernis, dass in keinem Querschnitt, welcher den Messaufnehmer 4 enthält, eine inelastische Verformung in der Welle 8 auftritt. Alle Verformungen, die zu der Übertragung von Drehmoment gehören, müssen also vollständig abbaubar sein, wenn das Drehmoment gelöst wird. Da plastische Verformung durch Schlupfen zwischen atomaren Ebenen oder ähnliche Ereignisse auftritt, ist dieses Erfordernis einfach eine Erstreckung der offensichtlicheren Beschränkung zum Interkomponentenschlupf. Wenn Schlupf in irgendeinem Maße auftritt, stellt die Spannung im Messaufnehmer 4 nicht das auf die Welle aufge brachte Drehmoment dar. Es ist dann ferner eine Verteilung von Restspannung über den Querschnitt vorhanden, wenn das Drehmometn auf null gelöst wird, wobei der Messaufnehmer 4 oder Teile desselben in einem umgekehrten Spannungszustand sind. Schlupf manifestiert sich als negative Hysterese in der Übertragungsfunktion des Messaufnehmers.
Jeder dieser Aufbauten gestattet auch, dass der Messaufnehmer 4 auf eine unmittelbar darunter liegende Komponente aufgepresst oder aufgeschrumpft wird. Wenn eine vorherrschend zirkuläre Anisotropie durch Reifen-Zugspannung zu gewinnen ist, ist dieses Merkmal wichtig. Wenn die Anisotropie des Messaufnehmers 4 anders als durch Umfangsspannung, beispielsweise durch vorhergegangene Alterung oder sonstige Wärmebehandlung in einem Magnetfeld, oder unter Umfangszugspannung oder unter Axialkompression gewonnen ist, oder wenn das Verhalten der Vorrichtung ohne diese vorherrschende Anisotropie angemessen ist, sind andere Aufbauten möglich.
Wenn Wellen mit niedriger Permeabilität verwendet werden, muss einige Aufmerksamkeit ihrer Festigkeitscharakteristik sowie thermischen Ausdehnungskoeffizienten (relativ zum Messaufnehmer 4) geschenkt werden. Gewöhnliche austenitische Stähle (rostfreie Stähle) sind üblicherweise wesentlich schwächer als martensitische Stähle. Da sie ferner Einphasenmaterialien sind, können sie nicht zur Gewinnung größerer Festigkeiten wärmebehandelt werden. Erhöhung der technischen Streckgrenze lässt sich nur durch Kaltbearbeitung, wie Walzen, Ziehen usw., erreichen. Extensive Kaltbearbeitung kann eine Umwandlung in Martensit bewirken, der ferromagnetisch ist.
Wünschenswertere Materialien für Wellen niedriger Permeabilität finden sich in der Nitronic-Familie - die allgemein Mangan mit wenig Nickel zusammen mit Chrom aufweist. Diese Stähle bleiben voll austenitisch unter harter Kaltarbeit und haben die doppelte Streckgrenze gewöhnlicher austenitischer Stähle, selbst im angelassenen Zustand. Ein besonders geeigne tes Material ist Nitronic 32 (oder 33), hergestellt von Armco. Andere potentiell geeignete Materialien sind verschiedene Nickellegierungen, wie etwa Inconel (International Nickel Co.), Beryllium-Kupfer und übervergüteter Magarging-Stahl. Die Übervergütung dieses Stahls bewirkt eine Umkehrung in Austenit. Ein besonderer Vorteil von übervergütetem Maraging-Stahl ist seine chemische Ähnlichkeit zu dem im Messaufnehmer 4 verwendeten Material. Diese Ähnlichkeit wirkt in Richtung einer Verhinderung von Grenzflächenkorrosion.
Es kann auch möglich sein, eine durchgehärtete oder sogar einsatzgehärtete Welle aus Kunststoff- oder Legierung-plus- Kohlenstoffstahl zu verwenden, da solche mechanisch gehärteten Stähle, auch niedrige Permeabilitäten haben.

Anbringung des Messaufnehmers an der Welle

Wie bereits angegeben, müssen Messaufnehmer 4 und darunter liegende Welle als mechanische Einheit wirken. Eine starre Anbringung des Messaufnehmers 4 entweder direkt oder indirekt an der Welle 8 ist für ein richtiges Arbeiten des Messaufnehmers 4 kritisch. Im Prinzip braucht der Messaufnehmer 4 nur an den beiden Enden befestigt zu werden, um dieses Erfordernis zu erfüllen.
Verfahren der Befestigung lassen sich nach den Punkten der Kraftverteilung für die Übertragung von Drehmoment längs der Welle klassifizieren. Diese Punkte der Kraft Verteilung können entweder vorspringend, verteilt (flächig) oder diffus sein.
Eine vorspringende Kraftverteilung lässt sich erzielen, indem zusammenpassende Oberflächen auf Messaufnehmer 4 und Welle 8 mit wechselseitig ineinander eingreifenden Profilen, etwa eine nicht-runde Welle, welche ein dazu passendes polygonales oder elliptisches Loch im Messaufnehmer 4 erfasst. Wie in Fig. 11 gezeigt, können zusammenpassende interne und externe Keilwellenprofile, Rändelungen bzw. Zähne 66 in der Innenfläche 22 des Messaufnehmers 4 geschnitten sein, die mit ähn lichen Strukturen, die in der Welle 8 geschnitten sind, zusammenpassen. Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform dieses Konzepts, bei welcher Zähne 68 in die Ränder 18 und 20 des Messaufnehmers 4 geschnitten sind. Zusammenpassende Zähne sind auch in die Enden von zwei Segmenten der Welle 8 (nicht gezeigt) geschnitten, und ein Vorsprung 72 ist auf der Welle 8 vorgesehen, der mit dem Mittelloch des Messaufnehmers 4 zusammenpasst. Wenn der Messaufnehmer 4 mit den beiden Segmenten der Welle 8 zusammengefügt wird, passen Zähne 70 mit Zähnen 68 zusammen, die die Welle 8 und den Messaufnehmer 4 in Bezug aufeinander drehfest machen. In anderen Ausführungsformen können Keile, Stifte oder auch Gewindestifte verwendet werden, obwohl diese Befestigungsverfahren nur für Anwendungen mit geringeren baulichen Anforderungen bevorzugt sind.
Eine verteilte Übertragung von Kräften lässt sich durch Reibung oder Verklebung von Messaufnehmer 4 und Welle 8 erzielen. Die Verbindung ist der gleichen Scherspannung unterworfen wie die, die übertragen wird. Diese Verbindung begrenzt das maximale messbare Drehmoment auf einen niedrigeren Wert, als er sonst durch die Welle 8 allein oder den Messaufnehmer 4 allein gehandhabt werden könnte, ist aber aus anderen Gründen, wie früher angegeben, vorteilhaft. Press- oder Schrumpfpassungen können zur Gewinnung der gewünschten zirkulären Anisotropie verwendet werden und können sehr wesentliche Greifkräfte liefern, die praktisch durch erwartete Drehmomente auf die Welle 8 nicht gebrochen werden. Mit sauberen, entgasten (und vielleicht entoxidierten) Oberflächen kann der effektive Reibungskoeffizient ohne Grenzen wachsen und irgendwie wie eine Schweißung wirken. Es gibt auch einige anaerobe Klebstoffe, welche enge Passungen enger machen, indem sie sich in mikroskopische Risse ausdehnen, wenn sie aushärten. Wenn Temperatur und Umgebungsbedingungen die Verwendung von Klebstoffen nicht verhindern, können Klebstoffe bei Aufbauten des Messaufnehmers 4 verwendet werden, bei welchen der geklebte Bereich groß ver glichen mit dem Querschnittsbereich entweder des Messaufnehmers 4 oder der Verbindungstelle ist. Dies kann erfolgen, indem ein Messaufnehmer 4 aus einem spiralig gewickelten Streifen unter Verwendung von Zwischenschichtklebstoff, wie oben beschrieben, erzeugt wird.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform des Messaufnehmers 4, welche eine Anzahl von Löchern 74 durch seinen Radius hindurch auf weist, die mit einem Klebstoff gefüllt werden können, um den Messaufnehmer 4 mit der Welle 8 zu verbinden.
Wenn ein Messaufnehmerring an einer Welle durch Reibung in Verbindung mit einem Festsitz angebracht wird, ist es schwierig eine homogene Grenzfläche bis hin ganz zu den Enden des Rings zu gewinnen. Innere Abfasungen oder Radien, Werkzeugmarken, Scharten usw. verhindern also die gleichförmige Übertragung von Drehmoment von der Welle auf den Ring an allen Abschnitten des Umfanges am exakten Rand des Messaufnehmerrings. Lokale Spannungen und lokale Spannungsgradienten im Zusammenhang mit diesen geometrischen Unvollkommenheiten manifestieren sich in einer Umfangsschwankung des durch ein gegebenes Drehmoment erzeugten Feldes und in einer in Umfangsrichtung variablen Abweichung von einem wirklichen Nullfeld bei null aufgebrachtem Drehmoment. Statt nach geometrischer Vollkommenheit an den Ringen zu trachten, ist es praktischer dieses "Randeffekt"-Problem zu vermeiden, indem spannungsfreie Zonen kleiner axialer Ausdehnung an jedem der Ringenden erzeugt werden. Indem man die axiale Länge dieser Abschnitte groß verglichen mit der Umfangsvariation des Ortes, relativ zur Ebene beider Messaufnehmerringenden der Punkte des ersten festen Kontakts zwischen dem Ring und der Welle, macht, dienen diese spannungsfreien Zonen zur Ausmittelung lokaler Feldvariationen. Mehrere Verfahren, dies zu erzielen, sind in Fig. 20 gezeigt. In Fig. 20(a) ist die Welle hinterschnitten, um eine Berührung an den Ringenden zu vermeiden. In Fig. 20(b) sind die inneren Endabschnitte des Rings selbst hinterdreht, um Be rührung mit der Welle zu vermeiden. In Fig. 20(c) sind die äußeren Endabschnitte des Rings vergrößert, um die drehmomentzugehörigen Spannungen darin zu reduzieren. In den Fig. 20(d) und 20(e) ist Material mit hoher Permeabilität, niedriger Magnetostriktion (Spannung hat also keinen Einfluss) an den Ringenden hinzugefügt, was zur Homogenisierung der Randeffekte dient.
Unter Bezug auf Fig. 14 kann, wenn die Welle 8 hohl ist, wie es insbesondere bei der Ausführungsform der Fig. 10 der Fall sein kann, der Messaufnehmer 4 von innen aufgeweitet werden, indem ein Dorn 36 mit Übergröße durch das Loch 78 gedrückt wird, oder alternativ, durch hydraulischen Druck oder Walzen. Andere geeignete Aufweitverfahren, die verwendet werden können, sind im Zusammenhang mit der Anbringung von Heißwasserkesselrohren an Rohrblechen bekannt. Fig. 15 zeigt den Aufbau der Fig. 14, nachdem der Dorn 76 durch das Loch 78 gedrückt worden ist. Wie erkannt werden wird, ist dieses Anbringungsverfahren insofern wünschenswert, als es trachtet, den Messaufnehmer 4 radial nach außen aufzuweiten, was die gewünschten Reifenspannungen im Messaufnehmer 4 erzeugt. Wenn Reifenspannungen nicht gewünscht sind, kann eine enge Aufweitungspassung nur an den Enden des Messaufnehmers 4 vorgesehen werden, indem der in Fig. 16 gezeigte Aufbau der Welle 8, welche im Bereich 80 um die axiale Mitte des Messaufnehmers 4 herum abgedreht ist, verwendet wird.
Die Drehmomentführungsfähigkeit der Verbindung in den Fig. 14 bis 16 kann verstärkt werden, wenn die Welle axiale Stege (Rändelungen) auf weist, die während der Aufweitung lokal in den Innendurchmesser des Messaufnehmers 4 einschneiden oder ihn verformen.
Eine diffuse Kraftverteilung lässt sich erzielen, indem Schweißungen oder Hartlötungen verwendet werden. Schweißungen können offensichtlich an den Enden oder durch Perforationen im Messaufnehmer 4 (wie in Fig. 13 gezeigt) hindurch verwendet werden. Punkt schweißungen oder kontinuierliche Linienschweißungen (Nahtschweißungen) oder Schweißungen über Teile des Bereichs des Messaufnehmers 4 oder den gesamten Bereich des Messaufnehmers 4 (Schmiedeschweißung) können ebenfalls verwendet werden. Der Messaufnehmer 4 könnte auch in einer Form um die Welle herum gegossen oder (in geschmolzenem Zustand) aufgesprüht oder explosionsverschweißt oder galvanisch aufgebracht oder durch Ionenimplantation oder eine andere Oberflächenmodifikation der Wellenoberfläche erzeugt werden, derart, dass der Messaufnehmer direkt oder indirekt an der Oberfläche der Welle angebracht wird oder einen Teil der Oberfläche der Welle bildet. Natürlich könnten auch Kombinationen aller dieser allgemeinen Verfahren verwendet werden oder für besondere Anwendungen besonders geeignet sein.
Bei einigen Anwendungen, z. B. als Drehmomentsensor bei Servorlenkungsanwendungen, ist es wichtig, dass der Ring und die Welle als eine mechanische Einheit wirken auch bei Drehmomenten, die 20 Mal oder mehr höher als das höchste Drehmoment sind, dessen Messung mit dem Messaufnehmer erwartet wird. Bis Mittel zur Erzielung von Reibungskoeffizienten viel größer als 1 entwickelt sind, erscheint es notwendig, mechanische Verkeilugnsverfahren, wie etwa Keile, Keilwellenprofile, Hohlkehlen oder polygonale Querschnitte, zu verwenden. In allen solchen Fällen jedoch ist es weiterhin notwendig, dem Messaufnehmerring eine Umfangsanisotropie einzuflößen. Wenn der Ring vor der Montage behandelt wird, beispielsweise durch Anlassen unter Spannung oder in einem Umfangsmagnetfeld, sind keine speziellen Montageverfahren erforderlich. Wenn jedoch gewünscht wird. Reifenspannung zur Gewinnung der Umfangsanisotropie zu verwenden, was wegen der inhärenten Wirtschaftlichkeit hochgradig wünschenswert ist, sind einige Modifikationen der vorstehend beschriebenen Grundmontage erforderlich.
Beispielsweise ist bei einer Form der Montage, wie sie in Fig. 21(a) veranschaulicht ist, ein runder Messaufnehmerring über einen gekehlten Wellenabschnitt (oder einen mit axialen Rändelungen oder Keilwellenprofilen) geschoben. Der Ring wird durch Gesenkschmieden, hydraulischen Druck, Magneforming oder ähnliche Formungsverfahren zwangsweise an die Kontur der Welle, wie in Fig. 21(b) gezeigt, angepasst. Da die Randausdehnung des Rings nach einer solchen Formgebung größer ist, als sie war, als er zylindrisch war, steht der Ring natürlich unter einer gewissen mittleren Umfangszugspannung, obwohl sich die aktuelle Spannung zwischen den Spitzen und Tälern seiner neuen Kontur unterscheidet. Obwohl dies eine wünschenswerte Technik für die Drehmomentübertragung bei gleichzeitiger Vermeidung der Grenzen einer Reibungs-Drehmomentübertragung ist, disqualifiziert die sich ergebende Umfangsungleichförmigkeit diese als wünschenswerte Technik zur Erzeugung einer Reifenspannung.
Es hat sich gezeigt, dass es nicht notwendig ist, die gesamte axiale Länge des Messaufnehmerrings in dieser Weise zu formen. Vielmehr ist es lediglich erforderlich, den Ring an seinen Enden an der Welle zu verriegeln, um ein Schlupfen zwischen den beiden bei extremen aufgebrachten Drehmomenten zu verhindern. Gleichzeitig kann die vorstehend beschriebene Reibungstechnik dazu verwendet werden, einfache "Reifenspannung" über den größeren Abschnitt der Ringlänge zu gewinnen.
Unter Bezug auf Fig. 22 weist der Messaufnehmerring 4 einen Innendurchmesser (Dr) auf, der etwas kleiner als der Durchmesser (Ds) des zylindrischen Abschnitts 240 der Welle 8 ist. Der Ring 4 wird erwärmt, bis Dr sich so weit ausdehnt, dass der Ring auf die Welle geschoben werden kann, derart, dass er wenigstens über dem zylindrischen Abschnitt 240 und den gekehlten Endabschnitten 242, 244 der Welle 8 liegt (Fig. 24). Sobald kalt (Ring und Welle auf gleicher Temperatur), befindet sich der Abschnitt des Rings, der über dem zylindrischen. Abschnitt der Welle liegt, unter einer gleichförmigen Reifenspannung und zeigt daher eine gleichförmige Umfangsani sotropie. Die Endabschnitte des Rings werden dann zwangsweise (z. B. durch irgendeines der vorstehend erwähnten Verfahren) an die darunter liegenden gekehlten Abschnitte der Welle angepasst (Fig. 23). Durch diese Mittel wird das von der Welle geführte Drehmoment mit dem Ring geteilt, unabhängig von der Reibung zwischen den zusammenpassenden zylindrischen Oberflächen.
Es wurde also ein neuartiges und verbessertes Verfahren des Abfühlens von Drehmoment auf einer rotierenden Welle offenbart. Im ersten Schritt einer bevorzugten Form des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Messaufnehmer 4 gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut und auf dem Umfang einer Maschinenwelle. 8 nach einem der vorstehend offenbarten Verfahren angebracht. Entweder vor der Anbringung oder während des Vorganges der Anbringung wird, wie vorstehend beschrieben, der Messaufnehmer 4 mit den benötigten anisotropen magnetischen Eigenschaften ausgestattet und kann jederzeit vor oder nach der Ausstattung mit anisotropen magnetischen Eigenschaften polarisiert werden. Der Aufbau aus Welle 8 und Messaufnehmer 4 wird dann in der Maschine angebracht. Ein Magnet feldvektorsensor 6 gemäß der Erfindung wird in der Nähe des Messaufnehmers 4 mit einer Orientierung angebracht, die den Empfang des spannungsherbeitgeführten Magnetfelds des Messaufnehmers 4 gestattet. Beim Betrieb der Maschine liefert der Magnetfeldvektorsensor 6 dann ein Signal, das eine lineare Angabe des Drehmoments auf die Welle 8 ist, und das Signal wird durch eine Rückkopplungssteuerung oder eine andere Überwachungsschaltung, die mit dem Magnetfeldvektorsensor 6, verbunden ist, überwacht.
Aus Vorstehendem ist ersichtlich, dass das durch einen dünnen Ring aus in Umfangsrichtung polarisiertem magnetostriktivem Material erzeugte Magnetfeld eine nahezu perfekte lineare Entsprechung zu der Tors ions Spannung im Ring ist. Mit einem solchen, starr auf einer Welle montierten Ring ist es ledig lich erforderlich, das Feld im Raum in der Nähe des Rings zu messen, um ein Maß für das von der Welle geführte Drehmoment zu gewinnen. Das Fehlen jeder externen Magnetisierungsquelle zusammen mit der ohne weiteres gegebenen Verfügbarkeit billiger Feldabfühlvorrichtungen ermutigt zu der Verwendung dieses einfachen Aufbaus sowohl für industrielle als auch Kraftfahrzeug-Drehmomentmessaufnehmeranwendungen. Trotzdem kann bei einigen Anwendungen eine Änderung des nachgewiesenen Magnetfelds, die von einer sich ändernden Orientierung des Messaufnehmeraufbaus in Umgebungsfeldern, etwa der Erde, oder einer sich ändernden Nähe zu Elektromotoren oder magnetisierten Maschinenteilen herrührt, die Genauigkeit der Drehmomentangabe gefährden. Wie vorstehend herausgestellt worden ist, benötigen praktische Ausführungsformen dieser Messaufnehmer also oft die Verwendung entweder von Abschirmungsstrukturen mit damit einhergehender Zunahme der Gesamtgröße oder aktive Kompensationsverfahren, die deren Komplexität signifikant erhöhen können. In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Abwandlung des Messaufnehmergrundaufbaus offenbart, die nur von Symmetrie abhängt, um die Wirkung äußerer Quellen auf das nachgewiesene Feld wesentlich zu reduzieren.
Fig. 1 zeigt die Anordnung von Funtkionselementen eines grundlegenden Drehmomentsensors 2. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ring- oder Büchsen-Messaufnehmer 4 typischerweise auf eine nicht-magnetische (z. B. rostfreier Stahl) Welle 8 mit einem etwas größeren Durchmesser als der ID des Ring-Messaufnehmers 4 gepresst. Der resultierende Berührdruck an der Grenzfläche Ring/Welle ermöglicht es, dass der Ring- Messaufnehmer 4 durch Reibung proportional zu dem von der Welle geführten Drehmoment (T) unter Torsionsspannung gesetzt wird. Dieser Berührdruck hält auch eine Umfangszug-(Reifen-) Spannung in dem Ring aufrecht, die in einem Ringmaterial mit positiver Magnetostriktion (λ) eine in Umfangsrichtung gerichtete uniaxiale magnetische Anisotropie (Ku) herstellt. Nachdem sie einem sättigenden Magnetfeld in der einen (+) oder der anderen (-) zirkularen Richtung ausgesetzt worden ist, behält die Umfangsanisotropie eine stabile remanente Magnetisierung, +Mr oder -Mr, in dem Ring aufrecht, d. h., er ist polarisiert. Wenn T auf die Welle aufgebracht wird, orientiert die zugehörige Scherspannung in dem Ring, die durch orthogonale Zug- und Druckspannungen gekennzeichnet ist, die dominante Hauptspannung um, wodurch Mr um einen Winkel θT gekippt wird. Die axiale Komponente von Mr, die dieser Kippung zugeordnet ist, ist an den Endflächen des Rings deutlich diskontinuierlich, und diese Divergenz der Magnetisierung ist die Quelle des Feldes, das von dem Anlegen des Drehmoments herrührt.
In der Anordnung der Fig. 3a sieht man einen Feldsensor 6, der so orientiert ist, dass er Felder in der Radialrichtung nachweist, in der Nähe eines Endes des Messaufnehmers 4 angeordnet. Gängige Praxis ist es, einen zweiten (identischen) Sensor in einer diametral gegenüberliegenden Position oder in einer symmetrischen Position am anderen Ende des Rings anzuordnen (siehe Fig. 3e, 3f). In beiden Fällen verläuft, da sich der zweite Sensor in der gleichen Ebene wie der Sensor 6 befindet und identisch orientiert ist, durch den Messaufnehmerring 4 erzeugter Fluss durch ihn und den Sensor 6 in entgegengesetzten Richtungen. Andererseits haben Umgebungsfelder allgemein ihren Ursprung in entfernten Quellen und haben daher einen so niedrigen Gradienten, dass sie die gleiche Richtung und ungefähr die gleiche Intensität an den Orten beider Feldsensoren haben. Solange ferner radial gerichtete Felder von äußeren Quellen klein verglichen mit dem Anisotropiefeld sind, ändern sie auch nicht die Richtung oder Orientierung der Ringmagnetisierung. Wie bereits weiter oben beschrieben worden ist, geht bei dieser Anordnung die Differenz der Ausgangssignale der beiden Sensoren weitestgehend allein auf das Feld zuruck, das durch den Ring selbst über die Reorientierung von Mr erzeugt wird.
Im Gegensatz zu ihrer Unempfindlichkeit auf radiale Felder lässt sich die Orientierung der Magnetisierung im Ring leicht durch ein axiales Magnetfeld (Ha) beeinflussen. Die Felder, die in Reaktion auf ein aufgebrachtes Axailfeld entstehen, haben die gleiche Polarität (d. h., die von Ha) bei Ringen, die entweder +Mr- oder -Mr-Polarisierungen haben. Das nachgewiesene Feld lässt sich dann allgemein schreiben als
H = aT + bHa
wobei a und b einem Messaufnehmeraufbau zugeordnete Konstanten sind. Außer man unternimmt Schritte, um eine adäquate Verminderung des Ha-Terms (z. B. Abschirmung) zu gewährleisten, kann also die vorstehend beschriebene Ausführungsform mehrdeutige Drehmomentangaben liefern.
Während die Wirkungen von Drehmoment und axialem Feld auf das nachgewiesene Feld in sich ununterscheidbar sind, hat sich gezeigt, dass die verschiedenen Abhängigkeiten ihrer jeweiligen Effekte auf die Richtung der zirkularen Magnetisierung ein Mittel bieten, sie zu trennen. Fig. 25 zeigt einen Drehmomentsensoraufbau 100, welcher zwei entgegengesetzt polarisierte Ringe 104, 105 einsetzt, um Abhängigkeiten des nachgewiesenen Felds von axialen Feldern effektiv zu eliminieren. In dem gezeigten Aufbau sind Messaufnehmerringe 104, 105 auf der Welle 108 mit Magnetfeldvektor-Sensoren 106 angebracht, die eng benachbart zu den oberen und unteren Ringoberflächen an den aneinander angrenzenden Flächen 110 der Ringe angeordnet sind. Die Ringe 104, 105 sind zwar aneinander anstoßend gezeigt, sie brauchen aber nicht körperlich aneinander angrenzend zu sein. Es ist ausreichend, wenn die Ringe 104, 105 so eng beieinander liegen, dass die Radialkomponenten ihrer individuell erzeugten Felder mit dem gleichen Feldsensor nachgewiesen werden können. Bei Anordnung in dieser Weise können die Ringe als magnetisch aneinander angrenzend bezeichnet werden. Das Arbeiten des Drehmomentsensors 100 lässt sich ohne weiteres verstehen, indem man den getrennten Beitrag eines jeden Rings 104, 105 zum nachgewiesenen Feld, wenn die Welle 108 entweder Drehmoment unterworfen ist oder in einem axialen Feld angeordnet ist, betrachtet.
Die Wirkung des aufgebrachten Drehmoments besteht bekanntlich darin, die Magnetisierung nach rechts in einem Ring mit +Mr-Polarisation und nach links in einem Ring mit -Mr- Polarisation zu drehen (siehe die gestrichelt gezeichneten Magnetisierungsvektoren in Fig. 25). Das rechte Ende eines +Mr- Rings entwickelt als die gleiche Polarität wie das linke Ende eines -Mr-Rings. Wenn das rechte Ende eines +Mr-Rings und das linke Ende eines -Mr-Rings so eng beieinander angeordnet werden, dass die Radialkomponenten ihrer individuell erzeugten Felder vom gleichen Feldsensor nachgewiesen werden können, ist das nachgewiesene Feld, das nun zwei Beitragsgeber hat, großer als das von jedem der beiden Ringe allein.
In einem axialen Magnetfeld drehen die Magnetisierungen in Ringen mit jeder der beiden Richtungen zirkularer Magnetisierungen zur Feldrichtung hin. Das rechte Ende eines Rings entwickelt also eine entgegengesetzte Polarität zum linken Ende unabhängig von seiner (+) oder (-) Polarisation. Wenn also das rechte Ende des einen Rings hin zum linken Ende des anderen angeordnet wird, sind die Radialkomponenten ihrer individuell erzeugten Felder, die von diesen axialen Feldern herrühren, am Ort des Feldsensors in entgegengesetzten Richtungen. Für zwei identische Ringe (1 und 2), die dem gleichen Drehmoment und dem gleichen axialen Feld unterworfen sind, ist das nachgewiesene Gesamtfeld
H = a&sub1;T + a&sub2;T + b&sub1;Ha - b&sub2;Ha = 2a&sub1;T
da für identische Ringe a&sub1; = a&sub2; und b&sub1; = b&sub2;. Das nachgewiesene Feld ist nun vollständig vom angelegten Drehmoment abhängig und frei von der zu Ha gehörigen Mehrdeutigkeit.
Wie vorstehend beschrieben, liefert die Verwendung von zwei Feldsensoren auch Unabhängigkeit des Messaufnehmer- Ausgangssignals von radialen Feldern. Da willkürliche Felder von äußeren Quellen sowohl radiale als auch axiale Komponenten haben können, liefert dieser neue Doppelringaufbau ein Ausgangssignal, das von allen solchen Feldern im Wesentlichen unabhängig ist.
Man versteht, dass diese Unabhängigkeit von Umgebungsfeldern das "magnetische Rauschen" im Ausgangssignal des Feldsensors stark abschwächt, womit die Notwendigkeit für sperrige und teure Abschirmungen vermindert oder beseitigt ist. Die mit diesem Doppelringaufbau einhergehende Zunahme des Signal/Rauschverhältnisses hat große Bedeutung bei der Servolenkanwendung bei Kraftfahrzeugen, bei welcher die Signalfelder verhältnismäßig schwach sind. Wenn das magnetische Rauschen genügend niedrig ist, können die elektrischen Ausgangssignale der Feldsensoren elektronisch verstärkt werden, um eine gewünschte effektive Empfindlichkeit zu schaffen. Genau der gleiche Effekt lässt sich mit den in der gleichen zirkulären Richtung polarisierten Ringen erzielen, wenn die betreffenden Magnetostriktionen der Ringe entgegengesetzte Vorzeichen haben. Berücksichtigt man jedoch die sehr beschränkte Anzahl von Materialien, die eine geeignete Kombination aus magnetischen und mechanischen Eigenschaften haben, ist diese Möglichkeit kommerziell unwahrscheinlich.
Um Nebeneinandervergleiche zu ermöglichen, wurden zwei experimentelle Drehmomentsensoren aus 18% Ni Maraging-Stahl gebaut, einer mit zwei entgegengesetzt polarisierten 10 mm breiten Messaufnehmerringen und der andere mit einem einzigen 20 mm breiten Messaufnehmerring. Die Ringe waren innen, abgeschrägt, um die Erzielung der gewünschten Reifenspannung zu erleichtern. Bevor sie auf ihre jeweiligen Wellen gepresst wurden, wurden die Messaufnehmerringe durch das Feld eines koaxial geführten 600 A Scheitelwert-, Halbsinuswellenstroms mit 8,3 ms Dauer zirkulär magnetisiert.
Die Radialkomponente der Magnetfelder, die sich aus dem Aufbringen eines 10 Nm Drehmoments auf jeden der Drehmoment- Sensoren ergibt, wurde mit einer kalibrierten (2,22 mV/Oe) Hall-Effektsonde gemessen. Messungen dieses Felds als Funktion der Axiallage längs eines einzelnen 10 mm Rings (vor Anbringung des zweiten Rings), längs des Paares von Ringen und längs des 20 mm breiten Rings sind graphisch in Fig. 26 veranschaulicht.
Die Feldintensität eines jeden dieser einzelnen Ringe ändert sich ersichtlich, wie erwartet, von einem Maximum in der Nähe des einen Endes, durch null an der axial mittigen Lage zu einem entgegengesetzten Polaritätsmaximum in der Nähe des anderen Endes. Ebenfalls wie erwartet, zeigt der Doppelring- Messaufnehmer das stärkste Feld gegenüber den angrenzenden Flächen der beiden Ringe, mit kleineren Spitzen umgekehrter Polarität an den beiden Außenrandenden. Die Abnahme des Scheitelfelds an den Außenrandenden des ersten 10 mm Rings, folgend auf die Anbringung des zweiten, spiegelt den Entmagnetisierungseffekt des durch den zweiten Ring erzeugten Feldes wieder. Die hohe Scheitelintensität in der Mitte des Zweiringaufbaus ist weniger als die Summe der beiden Enden, da das axiale Feld aus jedem Ring nicht über den anderen hinweg gleichförmig ist, wobei es am stärksten an ihrer gemeinsamen Grenze ist. Bei anderen durchgeführten, in Fig. 26 aber nicht gezeigten Versuchen hat diese Scheitelintensität 110 bis 120% der für den einzelnen 20 mm Ring aufgefundenen Spitze erreicht, was angibt, dass die Entmagnetisierungseffekte eines jeden Rings auf den jeweils anderen nicht die Drehmomentempfindlichkeit des Messaufnehmers mindern.
Nicht nur zwei entgegengesetzt polarisierte, magnetisch aneinander angrenzende Ringe können die Wirkungen von Umgebungsmagnetfeldern auf das angezeigte Drehmoment verhindern, sondern dieses Ergebnis kann auch durch jede Anzahl von körperlich getrennten, aber funktionell zusammenwirkenden Umfangsringen erzielt werden. Außerdem hat sich gezeigt, dass anstelle von zwei getrennten Ringen ein einzelner Ring, der in zwei oder mehr entgegengesetzt magnetisierte, axial getrennte Umfangsbereiche unterteilt ist, bei welchen jedes Paar aus magnetisch angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten Bereichen durch eine Domänenwand getrennt und durch das magnetische Feld unterschieden ist, das jeder im Nahraum erzeugt, wenn er unter Tors ions Spannung steht. Die Bereiche können aneinander anstoßen oder können mit dazwischen liegenden nicht-polarisierten Umfangsbereichen axial im Abstand liegen. Sie können körperlich getrennte Bereiche sein oder nicht und es kann zerstörungsfreie Wege zur Bestimmung ihrer betreffenden axialen Orte oder ihrer Magnetisierungszustände anders als durch Aufbringung von Tors ions Spannung geben oder nicht. Beispielsweise umfasst unter Bezug auf Fig. 27 ein Drehmomentsensor 120 einen einzelnen Messaufnehmerring oder -büchse 121 im Press- oder Festsitz auf der Welle 122 und mit axial unterschiedenen, entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereichen 124, 126.
Ob der Messaufnehmerring an der Welle durch Presssitz oder durch andere vorstehend beschriebene Verfahren, wie etwa Gesenkschmieden der Enden eines Ringes über Sägezahneinschnitten auf der Welle, um eine starre Verbindung unabhängig vom Reibungskoeffizienten zu gewährleisten, oder durch andere mechanische Mittel einer Anbringung (Stifte, Keile, etc.) oder selbst durch Schweißen angebracht ist, das Problem besteht darin, dass die Torsionsspannung im Ring im Bereich der Anbringung inhomogen ist. Wenn daher das volle Ausmaß des Rings polarisiert wird, wie in Fig. 27, ist die "Pol"-Stärke um seinen Umfang herum nicht gleichförmig.
Dieser lästige Effekt lässt sich vermindern, indem man die polarisierten Bereiche auf Abschnitte des Rings beschränkt, die so weit weg von den Befestigungen sind, dass sie die zugehörigen Spannungskonzentrationen nicht fühlen. Beispielsweise umfasst unter Bezug auf Fig. 28 der Drehmomentsensor 130 einen einzelnen Messaufnehmerring 131, der auf der Welle 132 angebracht ist und lokalisierte, axial unterschiedene, entgegenge setzt polarisierte Umfangsbereiche 134, 136 und nicht- polarisierte Umfangsendbereiche 138, 140 aufweist. Zu Veranschaulichungszwecken ist der Ring 131 als an der Welle 132 über eine Schweißung längs seines linken ümfangsendes und über einen Stift benachbart zu seinem rechten Umfangsende angebracht wiedergegeben.
Die entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereiche brauchen nicht auf der Welle beispielsweise durch Anbringen eines Messaufnehmerrings auf der Oberfläche der Welle angeordnet werden. Entgegengesetzt polarisierte Bereiche können vielmehr einen Teil der Oberfläche der Welle bilden. Beispielsweise umfasst unter Bezug auf Fig. 29 der Drehmomentsensor 150 eine rohrförmige Welle 152, in welche ein Stopfen 154 presseingepasst ist, um den Bereich der Wellenoberfläche, der unter Reifenspannung steht, auf die axiale Erstreckung des Stopfens zu lokalisieren. Axial getrennte, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche 156, 158 lokalisieren ferner die Polarisation und definieren nicht-polarisierte Umfangsendbereiche 160, 162. Durch Anordnen der polarisierten Bereiche 156, 158 weit genug weg von den Enden des Stopfens 154 ist Konstanz der Reifenspannung und Tors ions Spannung gewährleistet. Ungeachtet der Tatsache, dass die gesamte Welle magnetoelastisch sein kann (es aber nicht zu sein braucht), erscheinen die "Pole", die erscheinen, wenn Drehmoment aufgebracht wird, nur an den Enden der polarisierten Bereiche 156, 158 innerhalb des Abschnitts der Welle, der unter Reifenspannung steht. Dieses Konzept lokaler Polarisation beschränkt sich nicht auf die Errichtung von zwei polarisierten Bereichen, sondern kann auch dazu verwendet werden, Drehmomentsensoren zu konstruieren, die mehr als oder weniger als zwei (z. B., 1, 3, 4) polarisierte Bereiche haben. Ebenso ist die Idee gleichermaßen anwendbar auf Ringe, die aus zwei getrennten Stücken ausgebildet sind, auf einzelne Ringe, auf welchen Mehrfachbereiche ausgebildet sind, und auf alle vorstehend beschriebenen Verfahren zur Errichtung eines magne toelastisch aktiven Bereichs auf oder als Teil der Oberfläche der Welle.
In diesem. Zusammenhang umfasst der Ausdruck "auf" der Oberfläche der Welle jede Oberfläche der Welle und speziell die innere Durchmesseroberfläche einer rohrförmigen Welle.
Beispielsweise kann ein Messaufnehmerring mit einer negativen Magnetostriktion, z. B., Nickel, Hochnickellegierungen, viele Ferrite und dergleichen, in die Öffnung einer rohrförmigen Welle zur Ausbildung eines Festsitzes mit der inneren Durchmesseroberfläche gepresst sein, wobei die kompressive "Reifen"-Spannung, die sich aus einer solchen invertierten Konfiguration ergibt, die gewünschte zirkuläre Anisotropie im Ring erzielt. Der Magnetfeldsensor würde in einer solchen Weise angebracht sein, dass er in den Hohlring dorthin vorsteht, wo immer sich die Pole bilden. Ein solcher Aufbau würde die Messung von Drehmoment erleichtern, das auf oder von einer Rolle (oder Zahnrolle oder Zahnrad), die in der Nähe des Endes einer Welle montiert ist, übertragen wird, und wäre nützlich am Ende von Motorwellen beispielsweise.
Wo zwei magnetisch angrenzende, magnetisch entgegengesetzt polarisierte, axial unterschiedene Umfangsbereiche vorhanden sind, wie aus Fig. 25 ersichtlich, ist der bevorzugte Ort für den Sensor an der Domänenwand zwischen den angrenzenden Flächen der zwei entgegengesetzt polarisierten Bereiche. In vielen Fällen ist es jedoch schwierig, den Feldsensor exakt zu positionieren oder den exakten Ort der Domänenwand zu identifizieren. Bei einigen Anwendungen bewegt sich die Welle axial infolge von Lagerspielen, thermischer Ausdehnung und dergleichen, was selbst den höchstgenau ausgerichteten Feldsensor durcheinanderbringt. Durch die Verwendung von mehr als zwei polarisierten Bereichen hat sich gezeigt, dass die geforderte Genauigkeit der Ausrichtung des Welle/Ring-Aufbaus und des Sensoraufbaus vermindert werde kann.
Unter Bezug auf die Fig. 30 und 31 ist dort in 30(a) - und 31(a) ein auf einer Welle montierter Messaufnehmerring mit drei polarisierten Bereichen (Fig. 30(a)) bzw. vier polarisierten Bereichen (Fig. 31(a)) gezeigt. Die Domänenwände oder angrenzenden Flächen von entgegengesetzt polarisierten oder nicht-polarisierten 'Bereichen sind als A, B, C, D und E angegeben, und der Interwand- oder Grenzflächenabstand (nachfolgend als "Interwand"-Abstand bezeichnet, da eine De-facto- Domänenwand an angrenzenden Flächen von zwei angrenzenden Ringen existiert) ist in jedem als "a" oder ein Vielfaches davon gezeigt. Die Feisensoren FS sind bewusst so positioniert, dass der Abstand zwischen ihnen nicht gleich dem Abstand "a" zwischen den Domänenwänden oder einem Vielfachen (z. B., 2a, 3a) davon ist. Wie aus den Fig. 30(b) und 31(b) ersichtlich, die graphisch die Feldintensität als Funktion der Axialposition längs des Messaufnehmerrings veranschaulichen, ist das Feld am stärksten an den Domänenwänden. Es wäre zwar wünschenswert, die Feldsensoren an den Domänenwänden anzuordnen, um die Felder maximaler Intensität abzufühlen, es ist aber nicht stets praktisch, dies zu tun. Durch Trennen der Feldsensoren in einem größeren oder kleineren Abstand, d. h. einen anderen als a, 2a, 3a, etc., können dann nicht beide Sensoren ein Feld maximaler Intensität fühlen. Während der bevorzugte Ort für jeden Feldsensor in der Nähe, aber nicht direkt an der Domänen-Wand ist, ist aus den Fig. 30(b) und 31(b) ersichtlich, dass kleine axiale Versetzungen der Welle, z. B. nach rechts in den Figuren, was bewirkt, dass die Feldsensoren Felder abfühlen, welche in den Fig. 30(b) und 31(b) nach links (gezeigt in gestrichelten Linien) gegenüber der ursprünglich abgefühlten Feldern versetzt sind, das Feld an dem einen Sensor erhöhen und gleichzeitig das Feld an dem anderen Sensor vermindern würden. Wenn das Ausgangssignal des Drehmomentsensors die Summe der Absolutwerte der Signale jedes der beiden Sensoren ist, hat diese Summe die Tendenz, konstant zu bleiben, ob wohl die einzelnen Sensorsignale durch eine solche axiale Bewegung geändert werden. Die Genauigkeit der Ausrichtung zwischen dem Welle/Ring-Aufbau und dem Sensoraufbau ist daher nicht so wichtig, da kleine axiale Verschiebungen des Welle/Ring-Aufbaus das Ausgangssignal nicht nennenswert ändern.
Wo einzelne, entgegengesetzt polarisierte, aneinander anstoßende Ringe verwendet werden, gibt es wenig Schwierigkeiten, den Ort ihrer aneinander angrenzenden Flächen zu identifizieren. Es ist jedoch üblicherweise schwierig, die Lage der Domänenwände in einem einzelnen Ring mit mehreren entgegengesetzt polarisierten, radial unterschiedenen Umfangsbereichen exakt zu lokalisieren, da weder ihr Vorhandensein noch ihr Ort abgefühlt werden können, bevor die Welle unter Drehmoment gesetzt ist. Statt zu versuchen festzustellen, wo die Domänenwände zu einer bestimmten Zeit sein könnten, ist es bedeutend einfacher ihre Orte festzunageln, um ihren exakten Ort zu bestimmen, und eine unerwünschte Wanderung zu verhindern. Dies geschieht am besten durch Einkerben, Ätzen, Anzeichnen oder sonstiges körperliches Markieren des Rings mit einem schmalen Umfangsband an den ausgewählten Orten, die abgrenzen, wo die Domänenwand liegen wird. Dies kann unter Verwendung eines scharfen Werkzeugs, eines Lasers, einer Walze oder dergleichen erfolgen. Alternativ kann ein schmaler Ring mit hoher Permeabilität (ein Homogenisierer) in Umfangsrichtung um die Welle herum über dem Ort angeordnet werden, wo die Domänenwand angeordnet werden soll. Die sich ergebende physikalische Grenze, der Spannungsgradient, der Zusammensetzungsgradient, der Gefügegradient oder eine andere ähnliche Änderung, die durch die Domänenwandabgrenzung bewirkt ist, erzeugt eine Energiemulde, welche wirksam die Domänenwand an einem errichteten und exakten Ort festnagelt.
Wenn man sich nun den Verfahren zur Polarisierung der verschiedenen Domänen zuwendet, ist einsichtig, dass, wenn getrennte Ringe für jede Domäne verwendet werden, dann jeder Ring polarisiert werden kann, bevor er auf der Welle montiert wird. Diese "Vorpolarisierung" kann erfolgen, indem irgendeines der vorstehend gelehrten Verfahren verwendet wird. Wenn zwei oder mehr lokal polarisierte Bereiche einem einzelnen Ring (entweder getrennt von der körperlichen Wellengesamtheit oder einem funktional äquivalenten, bandartigen Abschnitt der Welle selbst) eingeflößt werden sollen, dann sind nicht alle diese Verfahren gangbar. Die Wahl des Polarisierungsverfahrens hängt von vielen Faktoren ab, z. B. davon, ob der Ring bereits auf der Welle montiert ist, den körperlichen Abmessungen des Rings und der Welle und davon, ob ein einzelner Drehmoment- Messaufnehmer hergestellt oder viele Messaufnehmer in Massenfertigung hergestellt werden sollen. Was immer die spezielle Wahl der Verfahrens ist, es gibt zwei allgemeine Arten der Polarisierung von Umfangsbereichen, nämlich alle auf einmal oder nacheinander.
Polarisieren des gesamten Umfangs auf einmal erfolgt durch das Durchleiten eines elektrischen Stroms entweder durch die Welle selbst oder durch einen Koaxialleiter, der durch den Ring gefädelt ist. Ein Beispiel dafür, wie mehrere, entgegengesetzt polarisierte, aneinander angrenzende Umfangsbereiche in einem Ring nach diesem Verfahren erzeugt werden können, ist in den Fig. 32, 33, 34 und 35 dargestellt und wird nachstehend erläutert. Unter Bezug auf Fig. 32 ist ein leitfähiger Behälter 170 über einen Leiter 172 und eine Gleichspannungsquelle 174 mit einer leitfähigen Flüssigkeit 178 im leitfähigen Behälter 170 verbunden. Der Leiter 172 verläuft koaxial durch den Ring 178, welcher zu Anfang außer Berührung mit der leitfähigen Flüssigkeit 176 gehalten wird. Bei so wie angegeben angeordneter Polarität der Gleichspannungsquelle 174 wird mit Stromfluss durch den Leiter 172 die gesamte axiale Länge des Rings in einer ersten Richtung polarisiert (angegeben als +). In dem in Fig. 33 gezeigten zweiten Schritt wird der Ring 178 in die leitfähige Flüssigkeit 176 bis zur Umfangsposition A eingetaucht, die Polarität der Gleichspannungsquelle 174 umgekehrt und ein Stromimpuls durch den Leiter 172, die leitfähige Flüssigkeit 176 und diejenigen Abschnitte des Rings 178, die nicht in die leitfähige Flüssigkeit eingetaucht sind, fließen gelassen. Auf diese Weise wird die Polarität in denjenigen Bereichen des Rings 178, in welchen der Strom fließt, d. h. denjenigen Bereichen des Rings 178, die nicht in die leitfähige Flüssigkeit 176 eingetaucht sind, umgekehrt (angegeben als -). In einem dritten Schritt, der in Fig. 34 gezeigt ist, wird der Ring 178 weiter in die leitfähige Flüssigkeit 176 bis zu einer Umfangsposition B eingetaucht. Die Polarität der Gleichspannungsquelle 174 wird erneut umgekehrt und erneut wird Strom in denjenigen Abschnitten des Rings, die nicht in die leitfähige Flüssigkeit eingetaucht sind, fließen gelassen, um wieder die Polarität in den nicht-eingetauchten Abschnitten umzukehren (angegeben als +). In einem abschließenden Schritt, der in Fig. 35 gezeigt ist, wird der Ring 178 noch weiter in die leitfähige Flüssigkeit bis zu einem Umfangsabschnitt C eingetaucht. Die Polarität der Gleichspannungsquelle 174 wird erneut umgekehrt und erneut Strom durch die nicht- eingetauchten Abschnitte fließen gelassen, um die Polarität in diesen Abschnitten umzukehren (angegeben als -). Der sich ergebende polarisierte Ring 178, der in Fig. 36 gezeigt ist, umfasst vier aneinander angrenzende, axial unterschiedene, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche, die durch Domänenwände A, B, C getrennt sind.
Auf gleiche Weise kann jede gewünschte Anzahl von entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereichen im Ring 178 erzeugt werden. Wenn gewünscht wird, ein nicht-polarisiertes Band zwischen irgendwelche der Bereiche zwischenzulegen, oder an den Enden des Rings, kann dies durch Positionieren des Rings wie in einer der Fig. 23 bis 35 und durch Durchleiten eines gedämpften Wechselstroms durch den Leiter 172 erzeugt werden, um die nicht eingetauchten Abschnitte des Rings "unpolarisiert" zu machen.
Die leitfähige Flüssigkeit kann Quecksilber, geschmolzenes Wood-Metall oder dergleichen sein oder braucht keine tatsächliche Flüssigkeit zu sein. Sie kann beispielsweise vielmehr ein fluidisiertes Bett aus einem fein unterteilten leitfähigen Festkörper, z. B. Kupfer, Aluminium oder Graphit, sein. Wenn die Welle nicht unbequem lang ist, kann das oben beschriebene Verfahren auch dazu verwendet werden. Mehrfachdomänen in einem Ring zu erzeugen, der bereits auf einer Welle montiert ist. Anstatt in eine Flüssigkeit kann die Welle auch in ein leitfähiges Rohr "eingetaucht" werden, welches mit Federfingern ausgestattet ist, die den Ring umgeben und guten elektrischen Kontakt über im Wesentlichen den gesamten Ringumfang machen. Die Idee ist natürlich zu verhindern, dass der geführte Strom (koaxial) innerhalb des Rings in denjenigen Abschnitten fließt, in denen keine weitere Polarisation gewünscht wird. Sobald der Strom in den Bereich eintritt, wo der Ring nicht mehr der äußerste Leiter ist, breitet er sich radial aus und verteilt sich über den gesamten leitfähigen Bereich. Das magnetisierende Feld, das an jedem Radius innerhalb des Rings wirkt, ist direkt proportional zum eingeschlossenen axialen Strom. (H = 0,2 I/r, wobei H das Feld in Oersted, I der eingeschlossene Strom in Ampere und r der Radius in Zentimeter ist.) Siehe die in Fig. 37 gezeigte graphische Darstellung des umschlossenen Stroms über der Position entlang des Rings für die in Fig. 33 gezeigten Gegebenheiten. Einen kurzen Abstand unterhalb "A" wird das auf den umschlossenen Strom zurückgehende Magnetfeld kleiner als die Koerzitivkraft des Ringmaterials und ist daher nicht in der Lage die Magnetisierung in disen (eingetauchten) Abschnitten des Rings umzukehren.
Die Polarisation des gesamten Umfanges in sequenzieller Weise erfordert ein Drehen des Rings, während jeder Bereich (oder Abschnitt desselben), der gerade polarisiert wird, einem lokalen Feld unterworfen ist, das die geforderte Polarität hat. Ein, einige oder alle Bereiche können auf diese Weise gleichzeitig polarisiert werden. Entweder elektrische Ströme oder Permanentmagneten können als die Quelle(n) des lokalen Felds bzw. der lokalen Felder verwendet werden, wie in den Fig. 38, 39 und 40 gezeigt.
Unter Bezug auf Fig. 38 ist ein Ring 180 auf der Welle 182 auf irgendeine vorstehend beschriebene Weise angebracht. Ein Leiter 184 ist in dem wahlweise vorgesehenen Joch 186 benachbart zum Ring 180 in einer solchen Weise angeordnet, dass Strom in den Abschnitten des Leiters 184 benachbart zu Ringbereichen AB und CD anders herum als benachbart zu Ringbereich BC fließt. Auf diese Weise entstehen, wenn bewirkt wird, dass Ring 180 und Welle 182 in einer Richtung rotieren, entgegengesetzte polarisierende Felder in Ringbereichen AB und CD verglichen mit Ringbereich BC. Nach mehreren Umdrehungen sind die aneinander angrenzenden Bereiche entgegengesetzt polarisiert. Das gleiche Ergebnis wird in der in Fig. 39 veranschaulichten Anordnung erzielt, in welcher Permanentmagneten 190, 192, 194 benachbart zu Ringbereichen AB, BC bzw. CD angeordnet sind. Die Polaritäten der Magneten 190 und 194 sind identisch und entgegengesetzt zur Polarität des Magneten 192 angeordnet, so dass, wenn bewirkt wird, dass Ring 180 und Welle 182 in einer Richtung rotieren und die Magneten gleichzeitig zurückgezogen werden (oder Keeper über die Pole hinweg eingesetzt werden), Endbereiche AB und CD entgegengesetzte Polarisation annehmen verglichen mit dem Ringbereich BC. Ein ähnliches Ergebnis wird in Fig. 40 erzielt, in welcher Ring 200 auf Welle 202 montiert ist und Magneten 204 und 206 auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Rings 200 benachbart zum Ringbereich AB bzw. BC angeordnet sind. Im Sinne einer einfachen Beschreibung sind nur zwei Bereiche für den Ring 200 gezeigt, obwohl sich natürlich versteht, dass eine beliebige Anzahl von Bereichen längs des Ringes ausgebildet werden kann. Die Polaritäten von Magneten 204 und 206 sind ähnlich angeordnet. Infolge ihrer jeweiligen Positionierung auf entgegengesetzten Seiten des Rings 200 nehmen, wenn bewirkt wird, dass Ring 200 und Welle 202 in einer Richtung rotieren und die Magneten gleichzeitig zurückgezogen werden (oder Keeper über die Pole hinweg eingesetzt werden), Ringbereiche AB und BC entgegengesetzte Polarität an.

Claims

1. Magnetoelastischer Drehmomentsensor zur Lieferung eines Ausgangssignals, welches das Drehmoment angibt, das auf ein Glied um eine axial sich erstreckende Achse des Glieds aufgebracht wird, welcher aufweist:

Ein ferromagnetisches, magnetostriktives, magnetoelastisch aktives Element (4; 104, 105; 121; 131), welches direkt oder indirekt in einer solchen Weise an einem Teil der. Oberfläche des Glieds angebracht ist oder einen Teil der Oberfläche des Glieds bildet, dass auf das Glied aufgebrachtes Drehmoment proportional auf das Element übertragen wird;

wobei das ferromagnetische, magnetostriktive, magnetoelastisch aktive Element (4; 104, 105; 121; 131) mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie ausgestattet ist, welche die Umfangsrichtung als die leichte Achse hat, so dass, wenn Drehmoment auf das Glied aufgebracht wird, das magnetoelastisch aktive Element ein mit dem Drehmoment sich änderndes Magnetfeld erzeugt; und

Magnetfeldsensormittel (6; 106), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements angebracht und in Bezug auf dieses so orientiert sind, dass sie die Größe des Magnetfelds abfühlen und das Ausganssignal ansprechend darauf liefern, dadurch gekennzeichnet, dass

das ferromagnetische, magnetostriktive, magnetoelastisch aktive Element (4; 104, 105; 121; 131) zwei oder mehr axial unterschiedene Umfangsbereiche aufweist, die magnetisch aneinander angrenzen und in einer Umfangsrichtung entgegengesetzt und rémanent magnetisch polarisiert sind, wobei jeder Bereich so eingerichtet ist, dass er individuell ein mit dem Drehmoment sich änderndes Magnetfeld erzeugt, wobei die Felder die Entstehung von Polen gleicher Polarität innerhalb jedes Bereichs an der Grenze zwischen den Bereichen bewirken, und wobei die Magnetfeldsensormittel so angeordnet sind, dass sie ein elektrisches Signal liefern, welches das auf das Glied aufgebrachte Drehmoment angibt.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Element bei Nichtvorhandensein von auf das Glied aufgebrachtem Drehmoment eine magnetische Umfangsorientierung aufweist, die keine Nettomagnetisierungskomponente in der Axialrichtung hat.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 2, wobei das Element, wenn Drehmoment auf das Glied aufgebracht wird, eine wendelförmige magnetische Orientierung mit sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten aufweist, wobei die Magnetfeldsensormittel so angeordnet und orientiert sind, dass sie das aus den Axialkomponenten der Magnetisierung entstehende Magnetfeld abfühlen.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel einen Festkörpersensor umfassen.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeldsensormittel einen Hall-Effekt-Sensor umfassen.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei die Magnetfeldsensormittel eine Magnetwiderstandsvorrichtung umfassen.

7. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel ein Magnetometer umfassen.

8. Drehmomentsensor nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element eine ferromagnetische, magnetostriktive Schicht an der Oberfläche des Glieds umfasst.

9. Drehmomentsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Element einen Bereich der Oberfläche des Glieds umfasst.

10. Drehmomentsensor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Element wenigstens einen Ring umfasst.

11. Drehmomentsensor nach Anspruch 10, wobei die Oberflächenscherspannung an der Grenzfläche des Glieds und des Elements die gleiche auf dem Glied und dem Element ist.

12. Drehmomentsensor nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine Ring rohrförmig mit entgegengesetzten Endflächen und einem axial sich erstreckenden Umfangsabschnitt dazwischen ist.

13. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei das Element zwei oder mehr axial angeordnete, magnetisch angrenzende, entgegengesetzt polarisierte Ringe auf weist.

14. Drehmomentsensor nach Anspruch 13, wobei das Element einen Ring für jeden Umfangsbereich auf weist.

15. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei das Element einen die Umfangsbereiche enthaltenden Ring aufweist, wobei jedes Paar von aneinander, angrenzenden Bereichen durch eine Domainenwand getrennt ist.

16. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel in einer festen Position in der Nähe des Elements angebracht sind.

17. Drehmomentsensor nach Anspruch 13, wobei die Sensormittel in der Nähe der aneinander angrenzenden Endflächen der aneinander angrenzenden Ringe angeordnet sind.

18. Drehmomentsensor nach Anspruch 15, wobei die Sensormittel in der Nähe der Domainenwände zwischen den Bereichen angeordnet sind.

19. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei die Umfangsbereiche in zwei oder mehr axial angeordneten, magnetisch aneinander angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten Ringen oder einem die Umfangsbereiche enthaltenden einzelnen Ring definiert sind, wobei jedes Paar von aneinander angrenzenden Bereichen durch eine Domainenwand getrennt ist und die Sensormittel wenigstens zwei oder mehr Sensoren auf weisen, wobei die Sensoren in der Nähe des Rings, in der Nähe, aber nicht an den Domainenwänden und axial in einem Abstand getrennt liegen, der von dem Zwischenwandzwischenraumabstand oder einem ganzzahligen Vielfachen desselben verschieden ist.

20. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, wobei der Ring koaxial mit der und um die Oberfläche des Glieds angebracht ist.

21. Drehmomentsensor nach Anspruch 20, wobei der Ring an dem Glied über einen Festsitz zwischen dem Innendurchmesser des Rings und dem Außendurchmesser des Glieds angebracht ist.

22. Drehmomentsensor nach Anspruch 21, wobei, der Innendurchmesser des Rings kleiner als der Außendurchmesser des Glieds ist.

23. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher ferner Permeanzerhöhungsmittel zur Erhöhung der Permeanz des Flussschließwegs durch die Magnetfeldsensormittel enthält.

24. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher ferner Jochmittel (32, 34), die in der Nähe des Elements und der Ma gnetfeldsensormittel befestigt sind, zum Sammeln von Magnetfluss aus dem Element und Richten des Flusses zu den Magnetfeldsensormitteln enthält.

25. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, welcher ferner Jochmittel (32, 34), die in der Nähe zu dem wenigstens einen Ring und den Magnetfeldsensormitteln befestigt sind, zum Sammeln von Magnetfluss aus dem wenigstens einem Ring und Richten des Flusses zu den Magnetfeldsensormitteln enthält.

26. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensormittel eine Anzahl von Magnetfeldfühlvorrichtungen auf weisen.

27. Drehmomentsensor nach Anspruch 26, wobei wenigstens zwei der Magnetfeldsensorvorrichtungen differenziell angeschlossen sind.

28. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Ausganssignal eine lineare Angabe für die Größe des auf das Glied aufgebrachten Drehmoments ist.

29. Drehmomentsensor nach Anspruch 28, wobei das Ausgangsssingal ein elektrisches Signal ist.

30. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Glied aus einem Material mit niedriger Permeabilität ausgebildet ist.

31. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, welcher Abstandsmittel mit niedriger Permeabilität zur Beabstandung des Glieds von dem Element enthält.

32. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Element aus Nickel-Maraging-Stahl ausgebildet ist.

33. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das Element wenigstens einen axial unterschiedenen, unpolarisierten Umfangsbereich enthält.

34. Drehmomentsensor nach Anspruch 15, wobei die Messaufnehmermittel ferner unpolarisierte Umfangsbereiche auf weisen, die an den axialen Enden des einen Rings angeordnet sind.

35. Drehmomentsensor nach Anspruch 21, wobei der Innendurchmesser des Rings schräg zulaufend und der Außendurchmesser des Glieds entsprechend schräg zulaufend ist.

36. Verfahren des Abfühlens eines auf ein in einer axialen Richtung sich erstreckendes mit Drehmoment beaufschlagtes Glied aufgebrachten Drehmoments, welches die Schritte des

(a) Vorsehens eines ferromagnetischen, magnetostriktiven, magnetoelastisch aktiven Elements, welches mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie mit der Umfangsrichtung als leichter Achse ausgestattet ist, wobei das Element direkt oder indirekt an der Oberfläche des mit Drehmoment beaufschlagten Glieds angebracht ist oder einen Teil der Oberfläche desselben bildet, derart, dass auf das Glied aufgebrachtes Drehmoment proportional auf das Element übertragen wird;

(b) Erzeugens eines Magnetfelds als Folge der Aufbringung von Drehmoment auf das Element; und

(c) Abfühlens der Größe des Magnetfelds an einer Position in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements als einer Angabe der Größe des auf das Glied aufgebrachten Drehmoments, gekennzeichnet durch

das Vorsehen des Elements als ein Element mit zwei oder mehr axial unterschiedenen Umfangsbereichen, die magnetisch aneinander angrenzen und entgegengesetzt und rémanent in einer Umfangsrichtung magnetisch polarisiert sind, wobei jeder Bereich individuell ein mit dem Drehmoment sich änderndes Magnetfeld erzeugt, wobei die Felder die Entstehung von Polen gleicher Polarität innerhalb jedes Bereichs an der Grenze zwischen diesen Bereichen bewirken, und wobei die Magnetfeldsensormittel so angeordnet sind, dass sie ein elektrisches Signal liefern, welches das auf das Glied aufgebrachte Drehmoment angibt.

37. Verfahren nach Anspruch 36, welches zusätzlich den Schritt des Vorsehens eines Ausgangssignals, das die Größe des abgefühlten Magnetfelds angibt, enthält.

38. Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Ausgangssignal ein elektrisches Signal ist.

39. Verfahren nach Anspruch 38, wobei das elektrische Ausgangssignal die Größe des auf das Glied aufgebrachten Drehmoments linear angibt.

40. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Element um den Umfang des Glieds herum angebracht ist.

41. Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Element an dem Glied über einen Festsitz angebracht ist.

42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei das magnetoelastisch aktive Element rohrförmig ist und der Festsitz durch Wärmebehandlung erzeugt wird, die ein Aufschrumpfen des Elements auf das Glied bewirkt.

43. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Festsitz durch Aufdrücken eines rohrförmigen magnetoelastisch aktiven Elements mit einem Innendruchmesser, der kleiner als der Außen durchmesser des Glieds ist, auf die Außenfläche des Glieds erzeugt wird.

44. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Festsitz durch Kegeligmachen der Außenfläche des Glieds und Aufpressen eines rohrförmigen magnetoelastisch aktiven Elements mit einer entsprechenden Kegelform auf seinem Innendurchmesser auf die kegelige Außenfläche erzeugt wird.

45. Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Glied hohl ist und der Festsitz durch Aufbringen von Kraft in dem hohlen Abschnitt des Glieds vorgesehen wird, um den Außendurchmesser des Glieds in Berührung mit dem Element radial aufzuweiten.

46. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Element einen Teil des Glieds bildet, indem eine Schicht des Elements auf dem Glied ausgebildet wird.

47. Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Schicht durch Bearbeiten eines Bereichs der Oberfläche des Glieds ausgebildet wird.

48. Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Schicht durch Ablagerung eines ferromagnetischen, magnetostriktiven Materials auf der Oberfläche des Teils ausgebildet wird.

49. Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Schritt (c) wenigstens teilweise durch Anordnen einer Magnetfeldabfühlvorrichtung in der Nähe zu und im Abstand von dem magnetoelastisch aktiven Element ausgeführt wird.

50. Verfahren nach Anspruch 49, wobei das Element zwei Umfangsbereiche aufweist und Schritt (c) durch Positionieren einer Magnetfeldabfühlvorrichtung in der Nähe der Domainenwand zwischen angrenzenden Bereichen ausgeführt wird.

51. Verfahren nach Anspruch 36, wobei Schritt (c) wenigstens teilweise durch Positionieren einer Magnetfeldabfühlvorrichtung in Verbindung mit einem flusssammelnden Joch in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Elements ausgeführt wird.

52. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Aufbringen von Drehmoment auf das Glied bewirkt, dass das Element eine wendeiförmige magnetische Orientierung mit sowohl Umfangs- als auch Axialmagnetisierungskomponenten hat, und wobei der Abfühlschritt das Abfühlen des Magnetfelds, das von der Axialkomponente der Magnetisierung herrührt, umfasst.

53. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Element zwei oder mehr axial ausgerichtete, magnetisch aneinander angrenzende Ringe umfasst.

54. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Element einen Ring für jede Umfangsrichtung umfasst.

55. Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Element einen die Umfangsbereicheenthaltenden Ring umfasst.

56. Messaufnehmerring, der für eine direkte oder indirekte Anbringung auf der Oberfläche eines Glieds, auf welches Drehmoment um eine Achse herum aufgebracht wird, die sich in Axialrichtung desselben erstreckt, in einer solchen Weise eingerichtet ist, dass auf das Glied aufgebrachtes Drehmoment proportional auf den Ring übertragen wird, wobei der Ring ein ferromagnetisches, magnetostriktives, magnetoelastisch aktives Element (4; 104, 105; 121; 131) aufweist, welches mit einer effektiven uniaxialen magnetischen Anisotropie ausgestattet ist, die die Umfangsrichtung als die leichte Achse hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zwei oder mehr axial unterschiedene Umfangsbereiche aufweist, die magnetisch aneinander angrenzend und entgegengesetzt und rémanent in einer Umfangsrichtung magnetisch polarisiert sind, wobei jeder der Bereiche so eingerichtet ist, dass er individuell ein mit dem Drehmoment sich änderndes Magnetfeld erzeugt, wobei die Felder bewirken, dass Pole gleicher Polarität innerhalb jedes Bereiches an der Grenze zwischen den Bereichen entstehen.