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Title:
MAGNETIC FIELD SENSOR ASSEMBLY AND ASSEMBLY FOR MEASURING A TORQUE AND METHOD FOR PRODUCING THE MAGNETIC FIELD SENSOR ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/185094
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention firstly relates to a magnetic field sensor assembly (03) for measuring a torque on a machine element (01) extending along an axis, using the inverse magnetostrictive effect. The machine element (01) has at least two magnetisation regions for magnetisation, which extend circumferentially around the axis. The magnetic field sensor assembly (03) comprises at least two magnetic field sensors (07) for measuring a differential magnetic field caused by the magnetisation and by the torque. According to the invention, the magnetic field sensors (07) in each case extend circumferentially around the axis, in order to surround the machine element (01) circumferentially. The invention further relates to an assembly for measuring a torque on a machine element (01) extending along an axis, the assembly comprising the magnetic field sensor assembly (03) according to the invention. The invention further relates to a method for producing the magnetic field sensor assembly (03) according to the invention.

Inventors:
SEUFERT, Tobias (Hauptstraße 11, Wasserlosen, 97535, DE)
Application Number:
DE2019/100291
Publication Date:
October 03, 2019
Filing Date:
March 28, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
G01L3/10; H01L41/12
Foreign References:
US5321985A1994-06-21
US5036713A1991-08-06
US5589645A1996-12-31
US4918418A1990-04-17
US5719494A1998-02-17
DE4319146A11994-12-15
US6222363B12001-04-24
US20020162403A12002-11-07
US20090230953A12009-09-17
US20130125669A12013-05-23
EP0803053A11997-10-29
US8893562B22014-11-25
US8001849B22011-08-23
US20110162464A12011-07-07
US8087304B22012-01-03
US9151686B22015-10-06
Other References:
MICHAEL MELZER ET AL.: "Ultra-Flexible, Stretchable and Printed GMR Sensors'', 14th Symposium", MAGNETORESISTIVE SENSORS AND MAGNETIC SYSTEMS, 21 March 2017 (2017-03-21)
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Claims:
Patentansprüche

1. Magnetfeldsensoranordnung (03) zum Messen eines Drehmomentes (M) an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement (01 ), wobei das Maschinenelement (01 ) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (02) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Magnetfeldsensoranordnung (03) mindestens zwei

Magnetfeldsensoren (07) zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment (M) bewirkten Differenzmagnetfeldes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetfeldsensoren (07) jeweils umfänglich um die Achse erstrecken, um das Maschinenelement (01 ) umfänglich zu umschließen.

2. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren durch jeweils einen magnetoresistiven Sensor (07) oder durch einen Hall-Sensor gebildet sind.

3. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Sensoren (07) jeweils eine Barberpol-Struktur aufweisen, die sich umfänglich um die Achse erstreckt.

4. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier der Magnetfeldsensoren (07) umfasst, die als Vollbrücke geschaltet sind.

5. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektronischen Instrumentenverstärker zur

Brückenspannungsauswertung der Vollbrücke umfasst.

6. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (07) auf einer flexiblen Folie (04) ausgebildet sind, durch welche das Maschinenelement (01 ) umfänglich umschließbar ist.

7. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Folie weiterhin ein zusätzlicher Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Drehzahl ausgebildet ist.

8. Magnetfeldsensoranordnung (03) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch

gekennzeichnet, dass die Folie (04) mit den Magnetfeldsensoren (07) in einen hohlzylinderförmigen Verbundkörper eingegossen ist.

9. Anordnung zum Messen eines Drehmomentes (M) an einem sich in einer

Achse erstreckenden Maschinenelement (01 ), wobei das Maschinenelement (01 ) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (02) für eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung weiterhin eine Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, und wobei das Maschinenelement (01 ) und die Magnetfeldsensoranordnung (03) zueinander rotierbar sind.

10. Verfahren zum Fierstellen einer Magnetfeldsensoranordnung (03) nach einem der Ansprüche 1 bis 8:

- Bereitstellen einer flexiblen Folie (04) aus einem Polymer; und

- Aufbringen von magnetoresistiven Schichten (08) oder von Hall- Sensorelementen sowie von elektrischen Kontakten auf die Folie, um Magnetfeldsensoren (07) auf der Folie (04) auszubilden.

Description:
Maqnetfeldsensoranordnunq und Anordnung zum Messen eines Drehmomentes sowie Verfahren zum Herstellen der Maqnetfeldsensoranordnunq

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Magnetfeldsensoranordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden

Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei die Anordnung die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung umfasst. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung.

In der US 6,222,363 B1 ist ein Flux-Gate-Magnetometer beschrieben, mit welchem ein äußeres Magnetfeld einer sich drehenden magnetoelastischen Welle messbar ist.

Die US 2002/0162403 A1 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einer Welle, bei welcher eine Spule auf einem magnetoelastischen Bereich sitzt.

Aus der US 2009/0230953 A1 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein sich longitudinal erstreckendes Element mit mehreren

magnetoelastisch aktiven Regionen umfasst. Der Drehmomentsensor umfasst primäre und sekundäre Magnetfeldsensoren, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind.

Die US 2013/0125669 A1 lehrt ein Verfahren zum Erkennen eines magnetischen Störfeldes bei einer Drehmomentmessung an einer magnetoelastischen Welle. Es werden zwei Signale gemessen, wobei das zweite Signal dem magnetischen Störfeld entspricht und vom ersten Signal subtrahiert wird.

Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen

magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle. Die US 8,893,562 B2 zeigt ein Verfahren zum Erkennen eines magnetischen

Rauschens bei einem magnetoelastischen Drehmomentsensor. Der

Drehmomentsensor umfasst einen Drehmomentwandler mit gegensätzlich

polarisierten Magnetisierungen und mehrere Magnetfeldsensoren, zwischen denen umgeschaltet werden kann.

Die US 8,001 ,849 B2 zeigt eine Anordnung zur magnetoelastischen

Drehmomentmessung, bei welcher die Wirkung von äußeren Magnetfeldern

kompensiert sein soll. Die Anordnung umfasst einen magnetisierten Bereich einer Welle sowie mindestens einen passiven und einen aktiven Magnetfeldsensor. Die passiven Magnetfeldsensoren können beiderseits des magnetisierten Bereiches angeordnet sein.

Die US 2011/0162464 A1 zeigt eine Anordnung zur magnetoelastischen

Drehmomentmessung, bei welcher die Wirkung von gleichförmigen und

ungleichförmigen Magnetfeldern kompensiert sein soll. Die Anordnung umfasst einen magnetisierten Bereich einer Welle sowie mindestens drei Magnetfeldsensoren. Der zweite und der dritte Magnetfeldsensor können neben dem magnetisierten Bereich angeordnet sein.

Die US 8,087,304 B2 zeigt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zum

Messen eines auf eine Welle wirkenden Drehmomentes. Die Welle weist eine oder mehrere umfängliche Magnetisierungen auf. Fig. 12 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit nur einer umfänglichen Magnetisierung, wobei zwei primäre Magnetfeldsensoren im Bereich der Magnetisierung und zwei sekundäre

Magnetfeldsensoren neben dem Bereich der Magnetisierung angeordnet sind. Fig. 18 der US 8,087,304 B2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei umfänglichen

Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei auch mehrere

Magnetfeldsensoren an einem axialen Übergang zwischen den beiden

Magnetisierungen angeordnet sind. Fig. 8 der US 8,087,304 B2 zeigt eine

Ausführungsform mit drei umfänglichen Magnetisierungen, die abwechselnd polarisiert sind, wobei jeweils ein Magnetfeldsensor in einem der Bereiche der drei

Magnetisierungen angeordnet ist. Durch die besondere Anordnung der Magnetfeldsensoren soll der Einfluss von magnetischen Störfeldern aufgehoben werden.

Aus der US 9,151 ,686 B2 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein reduziertes Signalrauschen aufweisen soll. Der Drehmomentsensor umfasst eine Hohlwelle mit drei umfänglich magnetisierten Magnetisierungsbereichen, welche abwechselnde Polaritäten aufweisen. Gegenüber den

Magnetisierungsbereichen sind bis zu acht Magnetfeldsensoren angeordnet.

In dem Artikel von Michael Melzer et al. (Leibniz-Institut für Festkörper- und

Werkstoffforschung Dresden):„Ultra-Flexible, Stretchable and Printed GMR Sensors“, 14 th Symposium„Magnetoresistive Sensors and Magnetic Systems“ 21.-22. März 2017, Wetzlar sind Technologien zur Anordnung von GMR-Sensoren auf

hochflexiblen PET-Folien beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, rotationsbedingte Fehler bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Drehmomenten zu minimieren. Bei diesen

rotationsbedingten Fehlern handelt es sich insbesondere um einen so genannten RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniformity-Fehler), der eine winkelabhängige

Signalschwankung eines Sensoroffsets darstellt und durch grundsätzlich vorhandene Toleranzen der Magnetisierung, Schwankungen in der Oberflächengüte und mechanische Toleranzen, wie beispielsweise einer Parallelität und Rundheit einer Welle, sowie Toleranzen von Abständen von Sekundärsensoren zum Primärsensor bedingt ist. Bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung gemäß dem Stand der Technik mit einem Magnetfeldsensorpaar beträgt dieser Fehler bis zu 2,5 %.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetfeldsensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10. Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung dient zum Messen eines

Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Drehmoment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen

Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt.

Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die nachfolgend angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale bzw. umfängliche Richtung sind auf die genannte Achse bezogen. Die Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines Drehmomentes

ausgebildet, welches in der Achse liegt, sodass es sich um ein Torsionsmoment handelt, durch welches das Maschinenelement belastet ist. Der Vektor des

Drehmomentes liegt in der Achse.

Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete differenzielle Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens zwei die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche bzw. um zirkulare

Magnetisierungsbereiche. Die Magnetisierungsbereiche bilden einen Primärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes.

Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt sind die

Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Axiale benachbarte der sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden

Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt entgegengesetzte Polaritäten auf, d. h. sie besitzen einen entgegengesetzten Umlaufsinn.

Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst weiterhin mindestens zwei

Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung des Drehmomentes bilden. Der Primärsensor dient zur Wandlung des zu messenden Drehmomentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die

Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung eines durch die

Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Magnetfeldsensoranordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.

Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur Messung des bedingt durch die drehmomentbedingte Oberflächenspannungsänderung aus dem Maschinenelement austretenden Differenzmagnetfeldes angeordnet. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils zur einzelnen Messung einer tangential oder/und axial

ausgerichteten Richtungskomponente des durch die Magnetisierung sowie durch das Drehmoment bewirkten Differenzmagnetfeldes angeordnet.

Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Luftspalt zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist.

Das Maschinenelement und die Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Bevorzugt ist das Maschinenelement rotierbar, während die

Magnetfeldsensoranordnung ruht.

Erfindungsgemäß erstrecken sich die Magnetfeldsensoren jeweils umfänglich um die Achse, um das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Die

Magnetfeldsensoren erstrecken sich entlang einer Bahn, welche geeignet ist, das Maschinenelement umfänglich zu umschließen. Diese Bahn ist bevorzugt kreis- oder ellipsenförmig. Diese Bahn ist bevorzugt geschlossen, jedoch kann sie eine kurze Unterbrechung aufweisen. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement herum. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich jeweils mit einem Mittelpunktswinkel umfänglich um das Maschinenelement herum, welcher bevorzugt mindestens 300° beträgt und weiter bevorzugt nahezu bzw. gleich 360° beträgt. Somit sind die Magnetfeldsensoren umfänglich um das Maschinenelement herum sensitiv, sodass eine Rotation zwischen der Magnetfeldsensoranordnung und dem Maschinenelement das Messergebnis nicht beeinflusst. Die Magnetfeldsensoren erstrecken sich bevorzugt entlang einer Kreisbahn um das Maschinenelement, wobei die Kreisbahnen der Magnetfeldsensoren bevorzugt einen gleichen Radius besitzen. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung besteht darin, dass durch eine veränderte Ausführung der Magnetfeldsensoren der so genannte RSU-Fehler (Rotation-Signal-Uniform ity-Fehler) fast vollständig kompensiert werden kann. Querkraftbedingte Magnetfelder haben bei punktueller

Magnetfeldmessung ebenfalls Einfluss auf den RSU. Auch dieser auf die

Drehmomentmessung bezogene querkraftbedingte Fehler wird durch die Erfindung kompensiert.

Der mindestens zwei Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt permanent

magnetisiert auf dem Maschinenelement vorhanden, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist.

Die mindestens zwei permanent magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einem Drehmoment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb des Magnetisierungsbereiches bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb des Magnetisierungsbereiches messbar ist.

Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des

Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die

Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Flohlzylinders auf.

Das Maschinenelement weist in den Magnetisierungsbereichen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktion auf. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche bevorzugt jeweils ein magnetisch neutraler Bereich angeordnet ist. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen diese bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.

Das Maschinenelement besteht zumindest im Magnetisierungsbereich aus einem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das

Maschinenelement vollständig aus dem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement aus einem Stahl. Eine auf das Maschinenelement aus einem nicht magnetoelastischen Material aufgepresste Hülse aus magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material ist auch geeignet, solange im Übergangsbereich zwischen den magnetischen Spuren zwischen der Hülse und dem tragenden Maschinenelement ein geeigneter Luftspalt vorhanden ist.

Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Bevorzugt weist das

Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der

Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen

Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein.

Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle oder durch eine Hohlwelle gebildet. Die Welle bzw. die Hohlwelle kann für Belastungen durch unterschiedliche Drehmomente ausgelegt sein.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren jeweils durch einen magnetoresistiven Sensor oder durch einen Hall-Sensor gebildet. Die

magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt jeweils durch einen AMR-Sensor oder durch einen GMR-Sensor gebildet. Die mit den AMR-Sensoren mögliche Messung beruht auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR). Die mit den GMR- Sensoren mögliche Messung beruht auf dem riesenmagnetoresistiven Effekt (GMR). Die magnetoresistiven Sensoren können aber auch auf anderen magnetoresistiven Effekten beruhen, sodass sie allgemein als xMR-Sensoren zu bezeichnen sind.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung weisen die magnetoresistiven Sensoren jeweils eine Barberpol-Struktur auf, die sich umfänglich um die Achse und um das

Maschinenelement erstreckt. In dieser Ausführung umfassen die magnetoresistiven Sensoren jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material, auf welchem hochleitende Kurzschlussstreifen aufgebracht sind, die bevorzugt um 45° bzw. -45° zur Streifenlängsrichtung verdreht sind. Die Kurzschlussstreifen bestehen bevorzugt aus Aluminium.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung umfassen vier der magnetoresistiven Sensoren, die als Vollbrücke elektrisch geschaltet sind. Die vier magnetoresistiven Sensoren sind axial beabstandet angeordnet. Jeweils zwei der vier magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt eine axiale Position wie einer der zwei Magnetisierungsbereiche auf, die entgegengesetzt gepolt sind. Diese beiden einem der Magnetisierungsbereiche zugeordneten magnetoresistiven Sensoren weisen bevorzugt zueinander entgegengesetzt ausgerichtete Barberpol-Strukturen auf. Die magnetoresistiven Sensoren weisen jeweils einen Streifen aus einem magnetoresistiven Material auf, wobei die Streifen der vier magnetoresistiven Sensoren parallel zueinander ausgerichtet sind.

Die vier als Vollbrücke geschalteten magnetoresistiven Sensoren sind bevorzugt an einen elektronischen Instrumentenverstärker elektrisch angeschlossen, welcher zur Brückenspannungsauswertung der Vollbrücke ausgebildet ist. Durch die

erfindungsgemäße Ausbildung der Magnetfeldsensoranordnung weist die

Brückenspannungsauswertung keinen RSU-Fehler auf.

Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche auf. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position auf, die einer mittleren axialen Position einer der

Magnetisierungsbereiche gleicht.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung sind die Magnetfeldsensoren auf einer flexiblen Folie ausgebildet, durch welche das Maschinenelement umfänglich umschließbar ist. Somit umschließt die flexible Folie das Maschinenelement umfänglich. Die

Magnetfeldsensoren sind insbesondere durch eine Drucktechnik und durch

Abscheidung auf die Folie aufgebracht. Insofern die Magnetfeldsensoren durch magnetoresistive Sensoren gebildet sind, umfassen diese bevorzugt eine

magnetoresistive Schicht, welche auf die Folie abgeschieden oder aufgedruckt ist. Die magnetoresistive Schicht weist bevorzugt eine Streifenform auf. Auf die

magnetoresistive Schicht sind bevorzugt hochleitende Kurzschlussstreifen

aufgebracht, welche bevorzugt eine Barberpol-Struktur aufweisen. Zum Aufbringen der Kurzschlussstreifen wird bevorzugt ein photolitographisches Verfahren genutzt.

Die Folie ist bevorzugt hochflexibel und besteht bevorzugt aus einem Polymer, bevorzugt PET. Die Folie weist eine Dicke auf, die bevorzugt weniger als 10 pm beträgt. Die magnetoresistive Schicht umfasst bevorzugt Kobalt und Kupfer. Die Kurzschlussstreifen umfassen bevorzugt Aluminium. Der elektronische

Instrumentenverstärker ist bevorzugt als eine integrierte Flalbleiterschaltung ebenfalls auf der Folie angeordnet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung ist auf der Folie weiterhin ein zusätzlicher

Magnetfeldsensor zur Bestimmung einer Drehzahl ausgebildet. Der zusätzliche Magnetfeldsensor steht einem am Maschinenelement ausgebildeten Polring gegenüber. Eine Kombination aus einer auf das Maschinenelement aufgebrachten, mechanischen Triggerfläche und einem auf die Folie aufgedruckten

Wirbelstromsensor, der mit einem LDC1 101 -Chip der Fa. Texas Instruments ausgewertet wird, ist ebenfalls für eine Drehzahlüberwachung bevorzugt. Kommt es zu einer Rotation zwischen dem Maschinenelement und der

Magnetfeldsensoranordnung, so dreht sich der Polring in Bezug auf den zusätzlichen Magnetfeldsensor, sodass die Drehzahl und/oder ein Drehwinkel messbar sind. Die Magnetfeldsensoranordnung umfasst bevorzugt weiterhin mindestens einen

Komparator für eine inkrementeile Signalauswertung oder mindestens einen

Instrumentenverstärker für eine analoge Signalauswertung des zusätzlichen

Magnetfeldsensors. Der Komparator bzw. der Instrumentenverstärker ist bevorzugt auch auf der Folie angeordnet. Somit erlaubt die Magnetfeldsensoranordnung die Messung des Drehmomentes und auch die Messung der Drehzahl.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Magnetfeldsensoranordnung ist die Folie mit den darauf ausgebildeten

Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in einen hohlzylinderförmigen Verbundkörper eingegossen. Bevorzugt ist die Folie mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten in ein Kunstharz eingegossen, wobei das ausgehärtete Kunstharz die Folie mit den darauf ausgebildeten

Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten weitestgehend einschließt und mechanisch stabilisiert. Das ausgehärtete Kunstharz mit der darin befindlichen Folie, den Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten bilden den

hohlzylinderförmigen Verbundkörper.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende

Magnetisierungsbereiche für eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst weiterhin die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung. Die

Magnetfeldsensoren der Magnetfeldsensoranordnung erstrecken sich jeweils umfänglich um das Maschinenelement. Das Maschinenelement und die

Magnetfeldsensoranordnung sind zueinander rotierbar. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung angegeben sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst bevorzugt zwei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnungen. Die beiden Magnetfeldsensoranordnungen, insbesondere die Folien der beiden Magnetfeldsensoranordnungen, sind bevorzugt galvanisch getrennt. Die beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet, wobei eine der beiden

hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen in radialer Richtung über der anderen der beiden hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen angeordnet ist. Bevorzugt ist die Folie der radial äußeren der beiden hohlzylinderförmigen

Magnetfeldsensoranordnungen über die Folie der radial inneren der beiden

hohlzylinderförmigen Magnetfeldsensoranordnungen gewickelt. Die beiden

Magnetfeldsensoranordnungen erlauben die Messung des Drehmomentes mit einer doppelten Messsicherheit und/oder einer zweikanaligen, funktional sicheren

Sensortopologie.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Fierstellen der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung. In einem Schritt des Verfahrens wird eine flexible Folie aus einem Polymer bereitgestellt. In einem weiteren Schritt werden magnetoresistive Schichten oder Flall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um

Magnetfeldsensoren auf der Folie auszubilden. Zudem werden elektrische Kontakte zum elektrischen Anschluss der Magnetfeldsensoren auf die Folie aufgebracht. Die magnetoresistive Schichten werden bevorzugt durch Aufdrucken oder durch

Abscheiden auf die Folie aufgetragen, um die Magnetfeldsensoren in Form von magnetoresistiven Sensoren auszubilden. Alternativ werden die Flall-Sensorelemente auf die Folie aufgebracht, um die Magnetfeldsensoren in Form von Flall-Sensoren auszubilden. Bevorzugt wird weiterhin der Instrumentenverstärker auf die Folie aufgebracht. Die Folie wird bevorzugt in Form eines Zylindermantels geformt bzw. gewickelt. Die Folie mit den darauf befindlichen Magnetfeldsensoren und ggf. weiteren Komponenten wird bevorzugt in Kunstharz eingegossen, woraufhin nach dem

Aushärten des Kunstharzes ein Verbundkörper entsteht, der bevorzugt

hohlzylinderförmig ist. Im Übrigen weist das Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung und der erfindungsgemäßen Anordnung angegeben sind. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Ansicht; und

Fig. 2 eine Magnetfeldsensoranordnung in einem abgewickelten Zustand und eine Welle der in Fig. 1 gezeigten Anordnung im Detail.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer perspektivischen Ansicht. Die Anordnung dient zum Messen eines

Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2), welches auf ein Maschinenelement in Form einer Welle 01 wirkt.

Die Welle 01 weist zwei Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) in Form von umlaufenden Spuren auf. Die beiden Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) sind permanentmagnetisiert und entgegengesetzt gepolt. Die beiden

Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) bilden einen Primärsensor für die Messung des Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2) unter Nutzung des invers- magnetostriktiven Effektes.

Die Anordnung umfasst neben der Welle 01 eine Magnetfeldsensoranordnung 03, welche einen Sekundärsensor für die Messung des Drehmomentes M (gezeigt in Fig. 2) bildet. Die Magnetfeldsensoranordnung 03 umfasst eine flexible Folie 04, welche in Form eines Zylindermantels geformt ist und die Welle 01 im Bereich der Magnetisierungsbereiche 02 (gezeigt in Fig. 2) vollständig umgibt. Die

Zylindermantelform der Folie 04 ist koaxial zu der Welle 01 angeordnet. Die Folie 04 weist einen radialen Abstand zu der Welle 01 auf, sodass ein umlaufender Luftspalt 06 zwischen der Welle 01 und der Folie 04 ausgebildet ist. Die Welle 01 ist rotierbar, während sich die Magnetfeldsensoranordnung 03 in Ruhe befindet. Auf der Folie 04 sind vier Magnetfeldsensoren 07 ausgebildet, welche sich vollständig umlaufend auf der Folie 04 und somit vollständig umlaufend um die Welle 01 erstrecken. Die vier Magnetfeldsensoren 07 sind jeweils durch einen AMR-Sensor gebildet und umfassen jeweils einen Streifen 08 aus einem magnetoresistiven

Material, auf welchen hochleitende Kurzschlussstreifen 09 aus Aluminium in einer Barberpol-Struktur aufgebracht sind. Die Streifen 08 aus dem magnetoresistiven Material sind auf die Folie 04 aufgedruckt. Die Magnetfeldsensoranordnung 03, d. h. die Folie 04 mit den darauf ausgebildeten Magnetfeldsensoren 07 ist flexibel, sodass sie auf verschiedene Weise geformt werden kann und beispielsweise von der

Zylindermantelform zurück in eine ebene Form gebracht werden kann.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Magnetfeldsensoranordnung 03 und die Welle 01 im Detail. Die Magnetfeldsensoranordnung 03 ist in einem abgewickelten ebenen

Zustand entfernt von der Welle 01 dargestellt. Die Welle 01 weist die beiden permanentmagnetisierten und entgegengesetzt gepolten Magnetisierungsbereiche 02 auf. Die Welle 01 wird mit dem Drehmoment M belastet, welches durch die Anordnung messbar ist.

Zur Veranschaulichung ist die abgewickelte Magnetfeldsensoranordnung 03 innerhalb eines Diagrammes dargestellt. Eine y-Achse des Diagramms stellt einen Winkel ß dar, welcher einen Mittelpunktswinkel bezogen auf eine Achse der Welle repräsentiert. Da die Magnetfeldsensoranordnung 03 im aufgewickelten Zustand die Welle 01 vollständig umgibt, reicht die Magnetfeldsensoranordnung 03 von ß = 0° bis ß = 360°. Eine x-Achse des Diagramms repräsentiert eine Länge in der Achse der Welle 01. Die Folie 04 ist im abgewickelten Zustand rechteckförmig.

Die vier Magnetfeldsensoren 07 erstrecken sich von ß = 0° bis ß = 360°. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren 07 stehen einem der beiden Magnetisierungsbereiche 02 gegenüber, wobei bei diesen beiden Magnetfeldsensoren 07 die Barberpol-Strukturen der Kurzschlussstreifen 09 entgegen zueinander ausgerichtet sind. Die Streifen 08 der vier Magnetfeldsensoren 07 sind rechteckförmig und parallel zueinander ausgerichtet. ln Fig. 2 ist auch eine elektrische Verschaltung der vier Magnetfeldsensoren 07 dargestellt. Die vier Magnetfeldsensoren 07 sind als Vollbrücke elektrisch verschaltet. Die beiden axial außen angeordneten Magnetfeldsensoren 07 sind auf eine elektrische Masse 11 geschaltet. An den beiden axial innen angeordneten

Magnetfeldsensoren 07 liegt eine Spannung V cc an. Die elektrischen Verbindungen der paarigen Magnetfeldsensoren 07 bilden ein symmetrisches Ausgangssignal an einem Ausgang 12, welcher an einen Instrumentenverstärker (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Als Instrumentenverstärker eignet sich ein Standard- Instrumentenverstärker, wie beispielsweise vom Typ INA826.

Bezuqszeichenliste

Maschinenelement in Form einer Welle

Magnetisierungsbereich

Magnetfeldsensoranordnung

Folie

Luftspalt

Magnetfeldsensor

Streifen aus magnetoresistivem Material Kurzschlussstreifen elektrische Masse

Ausgang