DE102018123800A1

DE102018123800A1 - Load measuring arrangement with a load element and a load sensor, manufacturing method and load measuring method

Info

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

Abstract

Eine Belastungsmessanordnung (16) umfasst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement (14) und einen Belastungssensor (12), der eine Belastung des Lastelements (14) misst. Der Belastungssensor (12) umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18), die ein Magnetfeld (50) in dem Lastelement (14) erzeugt, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22), die einen sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameter in dem Lastelement (14) erfasst. Die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) ist zumindest teilweise in dem Lastelement (14) angeordnet. Zur Herstellung der Belastungsmessanordnung wird ein Belastungssensor (12) in einem Hohlraum (14a) des Lastelement (14) angeordnet.A load measuring arrangement (16) comprises a load element (14) formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material and a load sensor (12) which measures a load on the load element (14). The load sensor (12) comprises a magnetic field generating device (18) which generates a magnetic field (50) in the load element (14) and a magnetic field detection device (20, 22) which detects a magnetic field parameter in the load element (14) which changes due to the load . The magnetic field detection device (20, 22) is at least partially arranged in the load element (14). To produce the load measuring arrangement, a load sensor (12) is arranged in a cavity (14a) of the load element (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement und einen Belastungssensor zum Messen einer Belastung des Lastelements. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen Belastungsmessanordnung, sowie ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement.The invention relates to a load measuring arrangement comprising a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material and a load sensor for measuring a load on the load element. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method for manufacturing such a load measuring arrangement, as well as a load measuring method for measuring a load in a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material.

Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen verstanden, die an dem Lastelement wirken.Loads are understood to mean forces, torques or mechanical stresses that act on the load element.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einem Lastelement in Form einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.Some exemplary embodiments of the invention relate in particular to a torque measuring arrangement with a torque measuring device for a torque sensor for measuring a torque on a load element in the form of a shaft while detecting changes in the magnetic field. In addition, embodiments of the invention relate to a measuring method for measuring a torque by detecting changes in the magnetic field. In particular, the torque transducer, the torque sensor and the measuring method are designed to detect changes in the magnetic field due to the Villari effect, and more particularly to magnetoelastic (= inverse magnetorestrictive) detection of torques.

Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Lastelementen wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:

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

Torque sensors of this type, which detect torques in load elements such as, in particular, shafts due to changes in the magnetic field, and the scientific foundations for this are described in the following references:

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

Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 ( DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.In particular, a type of torque transducer, as used in the D4 ( DE 30 31 997 A1 ) has proven to be particularly effective for measuring torques in shafts and other measuring points.

Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder EddyCurrent-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch VillariEffekt genannt).It is known that the physical parameters torque, force and position on ferromagnetic objects can be determined using magnetic measuring methods. Magnetoelastic (or inverse magnetostrictive) sensors or eddy current or EddyCurrent sensors are usually used. The ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also known as the Villari effect).

Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist.Differentiating the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish from the other effects due to its frequency dependence. In addition, the state of the magnetization of the object is often not known or is influenced by the processing and handling of the objects, so that wide industrial use is often difficult.

Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.In addition, a prediction of the lifespan of the magnetized objects is under the often very harsh environmental conditions in which the technology is used (for example, but not exclusively electromobility, such as e-bikes in particular, e.g. pedelecs, heavy industry, transmissions, hydraulic systems in construction machinery or in agricultural engineering and much more) often not possible.

Aus der
D7 EP 3'051'265 A1 ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1, A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1, B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1+A2) - (B1+B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.From the
It is known from D7 EP 3'051'265 A1 to compensate for this disadvantage by active magnetization by means of an alternating magnetic field in the kHz range. For this purpose, generator and detector coils, namely two first magnetic field detection coils A1 , A2 and two second magnetic field detection coils B1 , B2 and a central generator coil Lg is used in a cross arrangement (X arrangement). The difference between the coil pair AB = (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.

Eine bekannte Belastungsmessanordnung in Form eines magnetisch induktiven Kraftsensors ist in 2 gezeigt. Dabei ist ein magnetisch induktiver Kraftsensor 81 im Betrieb auf einer Messstelle 82 montiert. Durch eine auf die Messstelle 82 wirkende Kraft F wird ein induziertes Magnetfeld verändert. Um die Kraft F zu messen, werden die Magnetfelder durch einen magnetischen Schluss, zum Beispiel durch einen Ferrit, eingefangen.A known load measuring arrangement in the form of a magnetic inductive force sensor is shown in 2nd shown. There is a magnetic inductive force sensor 81 in operation on a measuring point 82 assembled. By one to the measuring point 82 Acting force F an induced magnetic field is changed. For strength F To measure, the magnetic fields are captured by a magnetic circuit, for example by a ferrite.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Belastungsmessanordnung so auszubilden, dass die Sensorsensitivität und die Effizienz des Messsystems erhöht werden.The object of the invention is to design a load measuring arrangement in such a way that the sensor sensitivity and the efficiency of the measuring system are increased.

Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung nach Anspruch 1. Weiter werden ein Herstellverfahren zur Herstellung einer solchen Belastungsmessanordnung sowie ein Belastungsmessverfahren vorgeschlagen, welches insbesondere mit einer derartigen Belastungsmessanordnung durchführbar ist.To achieve this object, the invention provides a load measuring arrangement according to claim 1. Furthermore, a manufacturing method for producing such a load measuring arrangement and a load measuring method proposed, which is particularly feasible with such a load measuring arrangement.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schafft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement und einen Belastungssensor zum Messen einer Belastung des Lastelements, wobei der Belastungssensor eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement erzeugten Magnetfelds umfasst, und wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement angeordnet ist. The invention provides a load measuring arrangement comprising a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material and a load sensor for measuring a load on the load element, the load sensor comprising a magnetic field generating device for generating a magnetic field in the load element and a magnetic field detecting device for detecting a magnetic field parameter that changes due to the load of the magnetic field generated in the load element, and wherein the magnetic field detection device is at least partially arranged in the load element.

Dadurch, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in dem Lastelement angeordnet ist, und zum Beispiel eine für die Messung verwendete Messspule in das Werkstück eintaucht, z.b. in einem darin angeordneten Schlitz, wird die Effizienz des Messystems erhöht. Die Messpule sieht in dem Werkstück den Kraftfluss von beiden Seiten (Vorderseite, Rückseite), wodurch sich die Effizienz des Gesamtsystems verdoppelt. Der magnetische Schluss erfolgt im Inneren des Werkstücks, wodurch die Sensorsensitivität und damit die Effizienz des Systems erhöht wird. Die Magnetfelder müssen nicht durch einen magnetischen Schluss außen bzw. außerhalb des Werkstücks eingefangen werden, sondern werden im Inneren des Werkstücks erfasst.Characterized in that the magnetic field detection device is arranged in the load element and, for example, a measuring coil used for the measurement is immersed in the workpiece, e.g. in a slot arranged in it, the efficiency of the measuring system is increased. The measuring coil sees the force flow from both sides (front, back) in the workpiece, which doubles the efficiency of the overall system. The magnetic closure takes place inside the workpiece, which increases the sensor sensitivity and thus the efficiency of the system. The magnetic fields do not have to be captured by a magnetic circuit on the outside or outside of the workpiece, but are recorded inside the workpiece.

Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in das Lastelement eintaucht. Dadurch kann das erzeugte Magnetfeld zum Beispiel von beiden Seiten der Magnetfelderfassungseinrichtung erfasst werden.It is preferred that the magnetic field detection device is immersed in the load element. As a result, the generated magnetic field can be detected, for example, from both sides of the magnetic field detection device.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zumindest teilweise in dem Lastelement angeordnet ist und/oder in das Lastelement eintaucht, um auf diese Weise das Magnetfeld zu erzeugen.It is further preferred that the magnetic field generating device is at least partially arranged in the load element and / or immersed in the load element in order to generate the magnetic field in this way.

Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung eine oder mehrere Sensorspulen zum Erfassen des Magnetfelds umfasst.It is preferred that the magnetic field detection device comprises one or more sensor coils for detecting the magnetic field.

Vorteilhaft umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine oder mehrere Generatorspulen zum Erzeugen des Magnetfelds.The magnetic field generating device advantageously comprises one or more generator coils for generating the magnetic field.

Beispielsweise sind die Magnetfelderfassungseinrichtung und/oder die Magnetfelderzeugungseinrichtung als Planarspulen ausgebildet oder umfassen eine oder mehrere Planarspulen.For example, the magnetic field detection device and / or the magnetic field generation device are designed as planar coils or comprise one or more planar coils.

Vorteilhaft ist die jeweilige Planarspule auf einer Isoliermaterialschicht aus elektrischem Isolationsmaterial ausgebildet, um eine Planarspuleneinheit zu bilden.The respective planar coil is advantageously formed on an insulating material layer made of electrical insulation material in order to form a planar coil unit.

Bevorzugt sind mehrere Planarspulen und/oder Planarspuleneinheiten übereinander angeordnet.A plurality of planar coils and / or planar coil units are preferably arranged one above the other.

Vorteilhafterweise sind die Planarspulen oder Planarspuleneinheiten auf einer Leiterplatte oder einem Substratträger mit Leitungspfaden realisiert.The planar coils or planar coil units are advantageously implemented on a printed circuit board or a substrate carrier with line paths.

Vorteilhaft ist die Sensorspule um die Generatorspule herum angeordnet.The sensor coil is advantageously arranged around the generator coil.

Bevorzugt ist die Generatorspule um die Sensorspule herum angeordnet.The generator coil is preferably arranged around the sensor coil.

Beispielsweise sind die Spulen konzentrisch zueinander angeordnet.For example, the coils are arranged concentrically to one another.

Bevorzugt sind die Spulen axial benachbart zueinander angeordnet.The coils are preferably arranged axially adjacent to one another.

Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Generatorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Sensorspule angeordnet.At least one generator coil is advantageously arranged between a first and a second sensor coil.

Bevorzugt ist wenigstens eine Sensorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Generatorspule angeordnet.At least one sensor coil is preferably arranged between a first and a second generator coil.

Vorteilhaft umfasst die Belastungsmessanordnung eine Elektronik zur Speisung des Belastungssensors und/oder zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung, die zum Beispiel auf einer Leiterplatte bzw. einem Substratträger vorgesehen ist.The load measuring arrangement advantageously includes electronics for supplying the load sensor and / or for signal conditioning and / or signal evaluation, which is provided, for example, on a printed circuit board or a substrate carrier.

Es ist bevorzugt, dass das Lastelement ein Element aus der Gruppe ist, die eine Drehwelle, einen Biegebalken, eine Zugstange oder Druckstange, ein Lastübertragungsteil eines mit Fluid betätigbaren Zylinders, eine Kolbenstange, ein relativ zu der Generatorspule und der Magnetfelderfassungseinrichtung bewegliches Element und ein Lastübertragungsteil eines Getriebes umfasst.It is preferred that the load element is an element from the group consisting of a rotary shaft, a bending beam, a pull rod or push rod, a load transmission part of a fluid-actuatable cylinder, a piston rod, an element movable relative to the generator coil and the magnetic field detection device, and a load transmission part of a transmission.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung, welches die Schritte umfasst:

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

According to a further aspect, the invention provides a production method for producing a load measuring arrangement according to the invention, which comprises the steps:

- Providing a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material;
- Providing a load sensor, the magnetic field generating device for generating a magnetic field in the load element and a magnetic field detection device for detecting a magnetic field parameter of the magnetic field generated in the load element that changes due to the load;
- Arranging the load sensor such that the magnetic field detection device is at least partially in the load element.

Vorteilhaft wird der Belastungssensor derart angeordnet, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung in das Lastelement eintaucht.The load sensor is advantageously arranged such that the magnetic field detection device is immersed in the load element.

Bevorzugt wird in dem Lastelement ein Hohlraum oder Schlitz zur Aufnahme der Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebiIdet.A cavity or slot for receiving the magnetic field detection device is preferably formed in the load element.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement, umfassend die Schritte:

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

According to a further aspect, the invention provides a load measuring method for measuring a load in a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material, comprising the steps:

- Generating a magnetic field in the load element by means of a magnetic field generating device;
- Detection of a magnetic field parameter of the magnetic field generated in the load element, which changes due to the load, by means of a magnetic field detection device, the magnetic field detection device being arranged at least partially in the load element.

Bevorzugt wird das Belastungsmessverfahren mit einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung durchgeführt.The load measurement method is preferably carried out with a load measurement arrangement according to the invention.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Belastungsmessanordnung eine Kombination aus einem drehenden Lastelement, wie z.B. einer Welle, einem Rad, einem Zahnrad, einem Kettenblatt oder dergleichen, und einem Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an dem Lastelement. Diese Ausführungsform kann z.B. an einem E-Bike eingesetzt werden, wobei das Drehmoment an der Tretkurbel oder einem damit versehenen Element gemessen werden kann. Dabei kann z.B. CFK mit einer Schicht Metglas verwendet werden.According to a preferred embodiment, the load measuring arrangement is a combination of a rotating load element, such as e.g. a shaft, a wheel, a gear, a chainring or the like, and a torque sensor for measuring a torque on the load element. This embodiment can e.g. be used on an e-bike, whereby the torque can be measured on the pedal crank or an element provided with it. Here, e.g. CFRP can be used with a layer of metal glass.

Bevorzugt ist von der Erfindung ausgenommen ein Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug mit einer Belastungsmessanordnung gemäß Patentanspruch 1 und/oder eine Belastungsmessanordnung gemäß Patentanspruch 1, die für Wankstabilisatoren von Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Vorzugsweise sind Belastungsmessanordnungen ausgenommen, bei denen ein Teil eines Wankstabilisators vorgesehen ist. Vorzugsweise betreffen die Verfahren keine Messung an einem Wankstabilisator bzw. keine Herstellung eines Wankstabilisators.Preferred from the invention is a roll stabilizer for a motor vehicle with a load measuring arrangement according to claim 1 and / or a load measuring arrangement according to claim 1, which is provided for roll stabilizers of motor vehicles. Stress measuring arrangements are preferably excluded, in which a part of a roll stabilizer is provided. The methods preferably do not relate to a measurement on a roll stabilizer or to the manufacture of a roll stabilizer.

Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

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

Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a first preferred embodiment of a load measuring arrangement according to the invention, for measuring a mechanical load, such as in particular force, tension or torque on a load element;
2nd a known load measuring arrangement in the form of a force sensor;
3rd a preferred embodiment of a sensor head of a load sensor of the load measuring arrangement according to the invention;
4th a second preferred embodiment of the sensor head;
5 a side view of the load measuring arrangement with the sensor head of 3rd within a workpiece or load element;
6 a view comparable 5 according to a further embodiment of the invention;
7 a view comparable 5 according to yet another embodiment of the invention;
8th a schematic representation of a planar coil unit with a planar coil, which preferably serves as a coil of the load sensor of the load measuring arrangement according to the invention;
9 is a schematic representation of another preferred planar coil unit, which can be used as a coil of the load sensor of the load measuring arrangement according to the invention;
10th a photograph of a section through a planar coil package, which is preferably used in the load sensor of the load measuring arrangement according to the invention;
11a-11d different embodiments for CAD expressions of monofilar and multi-filar planar coils;
12th a photograph showing inductive components for forming a sensor head for a load sensor or force or torque sensor of the load measuring arrangement according to the invention from different sides, the inductive component having a planar coil arrangement with a plurality of planar coil units arranged one above the other;
13 a photograph of an inductive component from above and from below for a sensor head of a load sensor or force or torque sensor according to a further embodiment; and
14 an enlarged view of a planar coil arrangement, which is preferably used as a load sensor according to the load measuring arrangement according to the invention.

In 1 ist eine Belastungsmessanordnung 16 als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Belastungsmessanordnung 16 umfasst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Werkstück 14, das ein Lastelement bildet. Weiterhin ist ein Belastungssensor 12 vorgesehen, der zum Messen einer Belastung des Lastelements bzw. Werkstücks 14 dient.In 1 is a load measuring arrangement 16 shown as a preferred embodiment of the invention. The load measuring arrangement 16 comprises a workpiece formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material 14 , which forms a load element. There is also a load sensor 12th provided for measuring a load on the load element or workpiece 14 serves.

Die Belastung ist in dem hier gezeigten Beispiel eine Kraft F, die auf das Werkstück 14 wirkt. Die Belastung kann aber auch auf andere Art gestaltet sein, wie beispielsweise ein Drehmoment, das an dem Werkstück 14 anliegt.In the example shown here, the load is a force F that on the workpiece 14 works. However, the load can also be designed in a different way, such as a torque that is applied to the workpiece 14 is present.

Ein Belastungssensor 12 umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines Magnetfelds 50 in dem Werkstück 14.A load sensor 12th comprises a magnetic field generating device 18th to generate a magnetic field 50 in the workpiece 14 .

Weiterhin umfasst der Belastungssensor 12 eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen bzw. Messen des in dem Werkstück 14 erzeugten Magnetfelds 50 oder eines Parameters des Magnetfelds 50. Dabei ist die Magnetfelderfassungseinrichtung 20,22 in dem Lastelement bzw. Werkstück 14 angeordnet.The load sensor also includes 12th a magnetic field detection device 20th , 22 for detecting or measuring the in the workpiece 14 generated magnetic field 50 or a parameter of the magnetic field 50 . Here is the magnetic field detection device 20th , 22 in the load element or workpiece 14 arranged.

Das Magnetfeld 50 bzw. dessen Magnetfeldparameter ändern sich aufgrund der auf das Werkstück 14 wirkenden Belastung, die hier als Kraft F dargestellt ist.The magnetic field 50 or its magnetic field parameters change due to the on the workpiece 14 acting load here as a force F is shown.

Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 umfasst eine Generatorspule, die dazu dient, das Magnetfeld 50 zu erzeugen. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 umfasst eine Sensorspule oder eine Anordnung von Sensorspulen. Der Belastungssensor 12 mit seiner Anordnung von Spulen (Generatorspule, Sensorspulen) ist weiter unten im Detail beschrieben.The magnetic field generating device 18th includes a generator coil, which serves the magnetic field 50 to create. The magnetic field detection device 20th , 22 comprises a sensor coil or an arrangement of sensor coils. The load sensor 12th with its arrangement of coils (generator coil, sensor coils) is described in detail below.

Die Belastungsmessanordnung 16 umfasst weiterhin eine Anordnung 52 zur Speisung des Belastungssensors 12 und zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung. Die Anordnung 52 ist als eine Elektronik ausgestaltet, die auf einer Leiterplatte bzw. einem Substratträger vorgesehen. Eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung dient zum Treiben der Generatorspule.The load measuring arrangement 16 also includes an arrangement 52 for feeding the load sensor 12th and for signal processing and / or signal evaluation. The order 52 is designed as electronics, which are provided on a printed circuit board or a substrate carrier. A driver circuit, not shown, is used to drive the generator coil.

Die Sensorspule bzw. Sensorspulenanordnung der Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 taucht in das Werkstück 14 ein. Sie erfasst somit als eine Messspule oder Messspulenanordnung im Inneren des Werkstücks 14 das Magnetfeld 50 bzw. einen oder mehrere Parameter des Magnetfelds 50.The sensor coil or sensor coil arrangement of the magnetic field detection device 20th , 22 dips into the workpiece 14 on. It thus detects as a measuring coil or measuring coil arrangement in the interior of the workpiece 14 the magnetic field 50 or one or more parameters of the magnetic field 50 .

Die Generatorspule bzw. Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 ist in dem hier gezeigten Beispiel ebenfalls in dem Werkstück 14 bzw. Lastelement angeordnet. Anders ausgedrückt, sie taucht ebenfalls in das Werkstück 14 ein und erzeugt dort das Magnetfeld 50.The generator coil or magnetic field generating device 18th is also in the workpiece in the example shown here 14 or load element arranged. In other words, it also dips into the workpiece 14 and creates the magnetic field there 50 .

Der Belastungssensor 12 dient zum Messen von mechanischen Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in dem zumindest teilweise magnetisierbaren, vorzugsweise um eine Drehachse drehbaren, Werkstück 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen. Die Messung erfolgt innerhalb des Werkstücks 14 in einem darin ausgebildeten Schlitz oder Hohlraum 14a, in den der Belastungssensor 12 eintaucht.The load sensor 12th is used to measure mechanical loads, such as in particular torques, forces or stresses, in the at least partially magnetizable workpiece, preferably one that can be rotated about an axis of rotation 14 , such as a shaft, a gear part, a wheel hub, a chainring or the like. The measurement takes place inside the workpiece 14 in a slot or cavity formed therein 14a in which the load sensor 12th immersed.

Das Werkstück oder Lastelement 14 kann bei anderen Ausgestaltungen auch stationär sein, z.B. ein Träger oder eine Strebe in einer Stützstruktur sein, an der Belastungen oder Kräfte zu messen sind.The workpiece or load element 14 can also be stationary in other configurations, for example a support or a strut in a support structure on which loads or forces are to be measured.

Das Lastelement 14 und der Belastungssensor 12 bilden zusammen die Belastungsmessanordnung 16. Der Belastungssensor 12 kann insbesondere auch mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 aufweisen.The load element 14 and the load sensor 12th together form the load measuring arrangement 16 . The load sensor 12th can in particular also several magnetic field detection devices 20th , 22 exhibit.

Das Lastelement 14 ist beispielsweise zumindest an einem Messbereich mit einer Schicht aus einem ferromagnetischen metallischen Glas versehen.The load element 14 is, for example, provided with a layer of a ferromagnetic metallic glass at least in one measuring area.

3 zeigt beispielhaft einen Sensorkopf 10 des Belastungssensors 12, der innerhalb des Lastelements oder Werkstücks 14 angeordnet ist (siehe 1) und eine Anordnung von Spulen zur Erzeugung und zur Erfassung des Magnetfelds 50 aufweist. 3rd shows an example of a sensor head 10th of the load sensor 12th that is within the load element or workpiece 14 is arranged (see 1 ) and an arrangement of coils for generating and detecting the magnetic field 50 having.

Der Belastungssensor 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.The load sensor 12th has a magnetic field generating device 18th and several magnetic field detection devices 20th , 22 on.

Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule LG auf. Eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung dient zum Treiben der Generatorspule LG.The magnetic field generating device 18th has a generator coil LG on. A driver circuit, not shown, is used to drive the generator coil LG .

Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1, A2, B1, B2 oder Festkörpermagnetfeldsensoren auf. Eine Auswerteeinrichtung 42 ist zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 vorgesehen.The magnetic field detection devices 20th , 22 have magnetic field sensors 26 in the form of detector coils A1 , A2 , B1 , B2 or solid-state magnetic field sensors. An evaluation device 42 is for evaluating the signals of the magnetic field sensors 26 intended.

Die hier beschriebene Ausführungsform weist zwei als erste Sensorspulen bzw. Detektorspulen A1, A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Sensorspulen bzw. Detektorspulen B1, B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 vorgesehen. Dabei ist mittig die Generatorspule LG vorgesehen, wobei sich die ersten Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.The embodiment described here has two as the first sensor coils or Detector coils A1 , A2 trained first magnetic field sensors 26-1 and two as second sensor coils or detector coils B1 , B2 trained second magnetic field sensors 26-2 on. The detector coils A1 , A2 , B1 , B2 are in a cruciform arrangement or X arrangement 28 intended. The generator coil is in the middle LG provided, the first detector coils A1 and A2 opposite and the second detector coils B1 and B2 opposite.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung 16 weist der Belastungssensor 12 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 zum Erfassen eines Drehwinkels des Lastelements 14 sowie eine Auswerteeinrichtung 42 zur Verringerung einer Beeinflussung der Belastungsmessung durch drehwinkelabhängige Effekte auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit der Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet, die RSN unter Verwendung der Drehwinkelinformation zu verringern.In a preferred embodiment of the load measuring arrangement according to the invention 16 shows the load sensor 12th a rotation angle detection device 40 for detecting an angle of rotation of the load element 14 and an evaluation device 42 to reduce the influence of the load measurement by angle-dependent effects. The evaluation device 42 is with the rotation angle detection device 40 and with the magnetic field detection devices 20th , 22 connected. The evaluation device 42 is in particular set up to reduce the RSN using the rotation angle information.

Mittels einer Drehzahlinformation oder der Winkelinformation und dem Drehmoment kann z.B. unmittelbar die mechanische Leistung erfasst werden. Wie in der früheren deutschen Patentanmeldung 10 2018 113 378.2 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, dargestellt, kann damit auch sehr wirksam eine RSN-Kompensation erzielt werden.The mechanical power can, for example, be recorded directly by means of speed information or the angle information and the torque. As in the previous one German patent application 10 2018 113 378.2 , to which express reference is made for further details, an RSN compensation can also be achieved very effectively.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V-Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-2 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule LG an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind. 4th shows a further embodiment of the sensor head 10th with a V arrangement 32 where only a first magnetic field sensor 26-1 - eg the first detector coil A1 - and only a second magnetic field sensor 26-2 arranged at an angle to each other with the generator coil LG are provided at the top of the angle shape.

In 5 ist der Belastungssensor 12 mit seiner kreuzförmigen Anordnung von Spulen, wie er oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, von der Seite gezeigt, wobei sich der Sensorkopf 10 innerhalb des Lastelements bzw. Werkstücks 14 befindet. Die Bezugszeichen kennzeichnen Elemente, die oben bereits beschrieben wurden.In 5 is the load sensor 12th with its cruciform arrangement of coils as referenced above 3rd is described, shown from the side, with the sensor head 10th within the load element or workpiece 14 located. The reference symbols identify elements which have already been described above.

In diesem Beispiel sind die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 bzw. Generatorspule LG ist hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 vorgesehen.In this example the detector coils are A1 , A2 , B1 , B2 on a common flow concentrator 30th made of ferromagnetic material. The magnetic field generating device 18th or generator coil LG is also on a corresponding projection of the flow concentrator 30th intended.

Das Lastelement 14 ist bevorzugt mit einer Schicht 13 aus ferromagnetischem metallischem Glas, auch amorphes Metall genannt, versehen.The load element 14 is preferred with one layer 13 made of ferromagnetic metallic glass, also called amorphous metal.

Wie 6 zeigt, können anstatt der Detektorspulen auch Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26 vorgesehen sein.How 6 shows, solid-state magnetic field sensors can also be used instead of the detector coils 27 as first and second magnetic field sensors 26 be provided.

7 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10 des Belastungssensors 12, bei der die Spulen - Detektorspulen A1, A2, B1, B2 und Generatorspule LG - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind. 7 shows an embodiment of the sensor head 10th of the load sensor 12th where the coil - detector coils A1 , A2 , B1 , B2 and generator coil LG - as planar coils 34 in a circuit board element 36 - For example, designed as PCB boards - are provided.

Die Planarspulen 34 sind bevorzugt wie nachfolgend beschrieben ausgestaltet. Sie können jeweils als einzelne Planarspulen oder als eine Anordnung von mehreren Planarspulen als Generatorspule und/oder Sensor-bzw. Detektorspule im Belastungssensor 12 innerhalb des Lastelements 14 eingesetzt werden.The planar coils 34 are preferably configured as described below. They can each be used as individual planar coils or as an arrangement of several planar coils as a generator coil and / or sensor or. Detector coil in the load sensor 12th within the load element 14 be used.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 8 bis 14 eine Planarspulenanordnung 132 (siehe 12 bis 14) mit mehreren übereinander angeordneten Planarspuleneinheiten 110 näher erläutert. Die in den 12 bis 14 gezeigte Planarspulenanordnung 132 wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in dem Lastelement 14 angeordnet und bildet dort den Belastungssensor 12 bzw. dessen Sensorkopf 10, wie oben beschrieben.The following is with reference to the 8th to 14 a planar coil arrangement 132 (please refer 12th to 14 ) with several planar coil units arranged one above the other 110 explained in more detail. The in the 12th to 14 shown planar coil arrangement 132 according to a preferred embodiment of the invention in the load element 14 arranged and forms the load sensor there 12th or its sensor head 10th , as described above.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren werden mehrere Planarspuleneinheiten 110 hergestellt, wobei wenigstens eine Planarspule 34 oder vorzugsweise mehrere Planarspulen 34 gemeinsam auf einer Ebene auf einer Isoliermaterialschicht 114 durch computergestützte Fertigung hergestellt werden.In the method described below, several planar coil units are used 110 manufactured, with at least one planar coil 34 or preferably several planar coils 34 together on one level on an insulating material layer 114 be manufactured by computer-aided manufacturing.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden für die computergestützte Fertigung lithographische Verfahren verwendet, bei denen Oberflächen eines Substrats, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte 116 gemäß Mustern belichtet werden, die aus CAD-Daten erzeugt werden. Anschließend werden belichtete oder unbelichtete Bereiche weggeätzt, um so die Planarspule 34 als Muster aus einem elektrischen Leiter auf der Isoliermaterialschicht 114 der flexiblen Leiterplatte 116 zu bilden.In a particularly preferred embodiment, lithographic methods are used for computer-aided production, in which surfaces of a substrate, in particular a flexible printed circuit board 116 exposed according to patterns generated from CAD data. Then exposed or unexposed areas are etched away, in order to avoid the planar coil 34 as a pattern from an electrical conductor on the insulating material layer 114 the flexible circuit board 116 to build.

Vorzugsweise werden dabei gleich mehrere Planarspulen 34 auf einer gemeinsamen, vorzugsweise flexiblen Leiterplatte 116 erzeugt. Durch vorzugsweise maschinelles, ebenfalls CAD-gestütztes Übereinanderschichten der so gebildeten Planarspuleneinheiten 110 werden die jeweiligen Planarspulen 34 computergestützt exakt positioniert übereinander angeordnet, um so Spulen 120 zu bilden, die jeweils aus mehreren übereinander angeordneten Planarspulen 34 gebildet sind, wobei die Windungen 122 der jeweils übereinander angeordneten Planarspulen 34 mittels Durchkontaktierungen 124 miteinander verbunden werden.Preferably, several planar coils are used 34 on a common, preferably flexible circuit board 116 generated. By preferably mechanical, also CAD-supported stacking of the planar coil units thus formed 110 the respective planar coils 34 Computer-aided, precisely positioned one above the other, so that coils 120 to form, each of several planar coils arranged one above the other 34 are formed, the turns 122 of the planar coils arranged one above the other 34 by means of vias 124 be connected to each other.

Als Beispiel für die Ausgestaltung der Generatorspule LG und/oder der Sensorspulen bzw. Detektorspulen des Belastungssensors 12, wie er oben im Detail erläutert wurde, zeigt 8 einen CAD-Ausdruck für eine beispielhafte Planarspule 34. Dabei ist die Planarspule 34 Teil eines Planarspulenpakets, das mehrere übereinander angeordnete Planarspulen 34 aufweist.As an example for the design of the generator coil LG and / or the sensor coils or detector coils of the load sensor 12th as explained in detail above 8th a CAD printout for an exemplary planar coil 34 . Here is the planar coil 34 Part of a planar coil package that contains several planar coils arranged one above the other 34 having.

Die Planarspule 34 und eine Anordnung von Durchkontaktierungen 124 befindet sich auf einer Isoliermaterialschicht 114.The planar coil 34 and an array of vias 124 is on an insulating material layer 114 .

Um das Magnetfeld der Spule 120 zu verstärken, kann innerhalb der Spule noch ein (nicht dargestellter) magnetischer Flusskonzentrator aus einem ferromagnetischen Material eingefügt werden. Somit ist im Inneren der Spule eine Durchgangsöffnung 126 vorgesehen, die das ferromagnetische Material aufnehmen soll.To the magnetic field of the coil 120 to reinforce, a (not shown) magnetic flux concentrator made of a ferromagnetic material can be inserted within the coil. There is thus a through opening inside the coil 126 provided that the ferromagnetic material is to receive.

Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform sind äußere Durchkontaktierungen 124a außerhalb der Spule 120 vorgesehen und innere Durchkontaktierungen 124b innerhalb der Spule 120 vorgesehen. Die Durchgangsöffnung 126 ist innerhalb des Ringbereichs, wo sich die inneren Durchkontaktierungen 124b befinden, vorgesehen. Die Fläche, auf der die Windungen 122 für die Planarspulen 34 angeordnet werden können, befindet sich zwischen dem Ringbereich, auf dem die äußeren Durchkontaktierungen 124a angeordnet werden, und dem inneren Ringbereich, auf dem die inneren Durchkontaktierungen 124b angeordnet werden. Die Windungen 122 sind durch die computergestützte Fertigung optimiert auf dem verbleibenden Zwischenbereich angeordnet, so dass ein minimaler Abstand zwischen den einzelnen Windungen 122 verbleibt und die Fläche optimal mit dem Material aus dem elektrischen Leiter 118 belegt ist.At the in 8th Embodiment shown are external vias 124a outside the coil 120 provided and internal vias 124b inside the coil 120 intended. The passage opening 126 is within the ring area where the inner vias are 124b are provided. The area on which the turns 122 for the planar coils 34 can be arranged, is located between the ring area on which the outer vias 124a are arranged, and the inner ring area on which the inner vias 124b to be ordered. The turns 122 are optimized by computer-aided manufacturing on the remaining intermediate area, so that a minimum distance between the individual turns 122 remains and the surface optimally with the material from the electrical conductor 118 is occupied.

9 zeigt eine Ansicht vergleichbar derjenigen zu 8 für eine gegenüber der Ausführungsform in 8 bevorzugte Ausführungsform der Planarspule 34. 9 shows a view comparable to that 8th for a compared to the embodiment in 8th preferred embodiment of the planar coil 34 .

Bei der Ausführungsform der 9 ist wenigstens die innere Durchkontaktierung 124b nicht in einem Ringbereich zwischen der Durchgangsöffnung 126 und der Planarspule 34 vorgesehen, sondern direkt am Rand der Durchgangsöffnung 126 vorgesehen. Die innere Durchkontaktierung 124b verläuft somit auf der Innenseite der Durchgangsöffnung 126.In the embodiment of the 9 is at least the inner via 124b not in a ring area between the through opening 126 and the planar coil 34 provided, but directly at the edge of the passage opening 126 intended. The inner via 124b thus runs on the inside of the through opening 126 .

Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die äußere Durchkontaktierung 124a nicht innerhalb einer Fläche eines äußeren Ringbereichs um die Planarspule 34 herum vorgesehen ist, sondern an der äußeren Seite der Isoliermaterialschicht 114.As an alternative or in addition, it is provided that the outer plated-through hole 124a not within a surface of an outer ring area around the planar coil 34 is provided around, but on the outer side of the insulating material layer 114 .

Hierdurch ist der Flächenbereich, der für die Windungen 122 der Planarspulen 34 genutzt werden kann, gegenüber der Ausgestaltung der 8 deutlich vergrößert. Außerdem kann der Durchmesser für die Durchgangsöffnung gegenüber der Ausgestaltung von 8 deutlich vergrößert werden, ohne den Gesamtflächenbereich der Planarspule 34 zu vergrößern. Hierdurch kann eine größere Menge an ferromagnetischem Material innerhalb der Spule 120 angeordnet werden.This is the area that is used for the turns 122 of the planar coils 34 can be used compared to the design of the 8th significantly enlarged. In addition, the diameter for the through opening can be compared to the configuration of 8th be significantly enlarged without the total area of the planar coil 34 to enlarge. This can cause a larger amount of ferromagnetic material within the coil 120 to be ordered.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die einzelnen Planarspuleneinheiten 110, die jeweils eine Isoliermaterialschicht 114 und wenigstens eine oder mehrere darauf angeordnete Planarspulen 34, insbesondere gemäß der Ausgestaltung in 8, aufweisen, computergesteuert aufgrund von CAD-Daten und unter exakter Positionierung aufeinandergelegt. Dies erfolgt derart, dass zwischen jeder Planarspule 34 nur eine einzelne Isoliermaterialschicht 114, beispielsweise gebildet aus einem Prepreg, vorgesehen wird.In an embodiment of the method, the individual planar coil units 110 , each one layer of insulating material 114 and at least one or more planar coils arranged thereon 34 , in particular according to the configuration in 8th , computer-controlled based on CAD data and placed on top of one another with exact positioning. This is done in such a way that between each planar coil 34 just a single layer of insulation material 114 , for example formed from a prepreg, is provided.

10 zeigt eine Fotografie eines Schnitts durch eine Spule 120. Dabei ist das Zentrum der Spule mit der Durchgangsöffnung 126 links dargestellt, wobei die einzelnen Planarspulen 34 mit Isoliermaterial dazwischen zu sehen sind. Dieses Paket aus übereinander angeordneten Planarspulen 34 ist beispielsweise innerhalb einer Öffnung in einer als Trägersubstrat dienenden Leiterplatte - starres Leiterplattenelement 138 - angeordnet. Die Herstellung kann gemäß dem hier erläuterten Verfahren erfolgen. Wie in 10 ersichtlich ergeben sich dadurch Lagen von Planarspuleneinheiten 110, die übereinandergeschichtet angeordnet sind. Zwischen den einzelnen aus elektrischen Leiter 118 gebildeten Planarspuleneinheiten 110 ist jeweils eine Lage Isoliermaterial vorgesehen, welche beispielsweise eine Dicke von 40-50 µm aufweist. 10th shows a photograph of a section through a coil 120 . Here is the center of the coil with the through opening 126 shown on the left, with the individual planar coils 34 with insulating material in between. This package of planar coils arranged one above the other 34 is, for example, within an opening in a circuit board serving as a carrier substrate - rigid circuit board element 138 - arranged. The production can be carried out according to the method explained here. As in 10th this clearly shows the positions of planar coil units 110 , which are stacked on top of each other. Between each of the electrical conductors 118 formed planar coil units 110 a layer of insulating material is provided, for example, which has a thickness of 40-50 μm.

Durch eine computergestützte Fertigung der Planarspulen 34 in stets exakter gleichbleibender Weise und/oder durch eine computergestützte Aufeinanderanordnung - sei es durch computergestütztes Aufeinanderliegen und die exakte Positionierung, sei es durch schichtweise Herstellung der Planarspuleneinheiten 110 übereinander - ist stets eine exakte Symmetrie der einzelnen Planarspulen 34 zueinander als auch die Möglichkeit einer weitaus dünneren Isoliermaterialschicht dazwischen geschaffen.Through a computer-assisted production of the planar coils 34 in an always exactly constant manner and / or by means of a computer-aided arrangement on top of one another - be it by means of computer-aided laying on one another and the exact positioning, or be it by layer-by-layer production of the planar coil units 110 one above the other - is always an exact symmetry of the individual planar coils 34 to each other as well as the possibility of a much thinner layer of insulating material between them.

Die Planarspulendicke d_i,PS aus dem elektrischen Leiter 118 der i-ten Planarspuleneinheit 110 von n übereinander angeordneten Planarspuleneinheiten 110 und die Schichtdicke d_i,IM der Isoliermaterialschicht 114 der i-ten Planarspuleneinheit 110 wird dabei derart gewählt, dass vorzugsweise die Planarspulendicke d_i,PS größer oder gleich der Schichtdicke d_i,IM ist. Es werden 60 bis 90% der Gesamtdicke der wenigstens einen durch die einzelnen Planarspulen gebildeten Spule durch das elektrische Leitermaterial und entsprechend nur 40 bis 10% der Gesamtdicke durch das Isoliermaterial gebildet.The planar coil thickness d _{i, PS} from the electrical conductor 118 the i-th planar coil unit 110 of n planar coil units arranged one above the other 110 and the layer thickness d _{i, IM} the Layer of insulating material 114 the i-th planar coil unit 110 is selected such that the planar coil thickness d _{i, PS is} preferably greater than or equal to the layer thickness d _{i, IM} . 60 to 90% of the total thickness of the at least one coil formed by the individual planar coils is formed by the electrical conductor material and correspondingly only 40 to 10% of the total thickness by the insulating material.

Hierdurch ergibt sich auf dem Flächenbereich, auf dem sich die Windungen 122 der Planarspulen 34 befinden, über das gesamte Spulenpaket hin gesehen ein größerer Anteil von Material des elektrischen Leiters 118 (z. B. Kupfer) im Vergleich zu dem Isoliermaterial der Isoliermaterialschicht 114. Dadurch kann auf einem kleineren Volumen bei gleichem auf die Spule 120 aufgeprägtem Strom eine größere Stromdichte und damit ein stärkeres Magnetfeld erzeugt werden.This results in the area on which the turns are located 122 of the planar coils 34 are, seen across the entire coil package, a larger proportion of material of the electrical conductor 118 (e.g. copper) compared to the insulating material of the insulating material layer 114 . This allows for a smaller volume with the same on the coil 120 imposed current a greater current density and thus a stronger magnetic field are generated.

Die computergestützte Fertigung der Spulen 120 bietet weiter noch die Möglichkeit, die einzelnen Planarspulen 120 sowohl monofilar, wie in 11a gezeigt, als auch mit mehreren Filaritäten, wie in den 11b-11d gezeigt, herzustellen. The computer-assisted production of the coils 120 also offers the possibility of the individual planar coils 120 both monofilar as in 11a shown, as well as with several filarities, as in the 11b-11d shown to manufacture.

Hierdurch können Planarspulen 34 mit einer Windungsspirale oder mit mehreren elektrisch voneinander isolierten und unterschiedlich verschaltbaren Windungsspiralen, die vorzugsweise ineinandergreifen, hergestellt werden.This allows planar coils 34 with a winding spiral or with a plurality of winding spirals which are electrically insulated from one another and can be connected differently and which preferably interlock.

Hierdurch können konzentrisch zueinander angeordnete Spulen 120a, 120b hergestellt werden, die unterschiedlich kontaktiert werden können. Beispielsweise werden die unterschiedlichen Filaritäten einer mehrfach filaren Spule 120 zum differenziellen Messen verwendet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine der ineinander geschalteten Spulen 120a als Generatorspule und die andere als Messspule verwendet werden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung können mehrere ineinander geschaltete Spulen zur differenziellen Messung herangezogen werden. Bei noch einer weiteren Ausgestaltung können die unterschiedlichen ineinandergeschaltelten Spulen als unterschiedliche Elemente einer Brückenschaltung verwendet werden.This allows coils arranged concentrically to one another 120a , 120b can be produced, which can be contacted differently. For example, the different filarities of a multi-filar coil 120 used for differential measurement. In another embodiment, one of the interconnected coils 120a can be used as a generator coil and the other as a measuring coil. In yet a further embodiment, a plurality of coils which are connected to one another can be used for differential measurement. In yet another embodiment, the different interconnected coils can be used as different elements of a bridge circuit.

12 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines induktiven Bauelements 130, welches eine gemäß dem zuvor erläuterten Verfahren hergestellte Planarspulenanordnung 132 aufweist, um eine erste Spule 120a, eine zweite Spule 120b und eine dritte Spule 120c zu bilden. Das induktiven Bauelements 130 wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in dem Lastelement oder Werkstück 14 in einem Innenraum oder Hohlraum 14a angeordnet und dient dort als Belastungssensor bzw. als dessen Sensorkopf. 12th shows a first embodiment of an inductive component 130 which has a planar coil arrangement produced according to the previously explained method 132 has a first coil 120a , a second coil 120b and a third coil 120c to build. The inductive component 130 according to a preferred embodiment of the invention in the load element or workpiece 14 in an interior or cavity 14a arranged and serves there as a load sensor or as its sensor head.

Das induktive Bauelement 130 kann als Teil eines Aktuators oder eines Sensors verwendet werden. Insbesondere kann das induktive Bauelement 130 als wesentlicher Bestandteil eines Sensorkopfes für einen Drehmomentsensor oder Kraftmesssensor der erläuterten Art verwendet werden. Der Sensorkopf weist dann vorzugsweise noch das ferromagnetische Verstärkungsmaterial auf.The inductive component 130 can be used as part of an actuator or a sensor. In particular, the inductive component 130 can be used as an essential component of a sensor head for a torque sensor or force measuring sensor of the type explained. The sensor head then preferably also has the ferromagnetic reinforcement material.

Im Falle der Verwendung für einen Sensorkopf kann die erste Spule 120a beispielsweise als Generatorspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem hinsichtlich einer Kraftbeaufschlagung zu messenden Element, beispielsweise einer Drehwelle, verwendet werden, während die zweite Spule 120b als erste Messspule und die dritte Spule 120c als zweite Messspule dient, zum Messen einer Magnetfeldänderung, insbesondere eine Richtungsänderung eines Magnetfeldes unter Einfluss einer Kraft.In case of use for a sensor head, the first coil can 120a for example as a generator coil for generating a magnetic field in an element to be measured with regard to the application of force, for example a rotary shaft, while the second coil 120b as the first measuring coil and the third coil 120c serves as the second measuring coil for measuring a change in magnetic field, in particular a change in direction of a magnetic field under the influence of a force.

Wie aus 12 ersichtlich, ist in jeder der Spulen 120a, 120b, 120c, welche jeweils aus übereinander gelegten Planarspulen 34 gebildet ist, eine Durchgangsöffnung 126 vorgesehen, durch welches ein Material zur magnetischen Verstärkung hindurchgesteckt werden kann. Weiter sind an der Innenwand jeder Durchgangsöffnung 126 mehrere Durchkontaktierungen 124, 124b vorgesehen.How from 12th can be seen in each of the coils 120a , 120b , 120c , each consisting of planar coils placed one on top of the other 34 is formed, a through opening 126 provided, through which a material for magnetic reinforcement can be inserted. Next are on the inner wall of each through opening 126 multiple vias 124 , 124b intended.

Weitere Ausführungsformen des induktiven Bauelements 130 sind in den 13 und 14 dargestellt, wo zusätzlich zu der ersten Spule 120a, der zweiten Spule 120b und der dritten Spulen 120c noch eine vierte Spule 120d und eine fünfte Spule 120e vorgesehen sind. Die zweite bis fünfte Spule 120b bis 120e sind um die erste Spule 120a verteilt herum vorgesehen. Die vierte Spule 120d kann eine dritte Messspule bilden, und die fünfte Spule 120e kann eine vierte Messspule bilden.Further embodiments of the inductive component 130 are in the 13 and 14 shown where in addition to the first coil 120a , the second coil 120b and the third coils 120c another fourth spool 120d and a fifth coil 120e are provided. The second to fifth coil 120b to 120e are around the first coil 120a provided around distributed. The fourth coil 120d can form a third measuring coil and the fifth coil 120e can form a fourth measuring coil.

Die Verschaltung der Messspulen - z. B. zweite Spule 120b bis fünfte Spule 120e kann so erfolgen, wie dies im Einzelnen der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 112 913.8 , auf welche für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist.The connection of the measuring coils - e.g. B. second coil 120b to fifth coil 120e can be done as detailed in the German patent application DE 10 2017 112 913.8 , to which express reference is made to, described and shown for further details.

Insbesondere sind die Messspulen hier in einer so genannten X-Anordnung um die als Generatorspule wirkende erste Spule 120a herum angeordnet.In particular, the measuring coils are here in a so-called X arrangement around the first coil, which acts as a generator coil 120a arranged around.

Kontaktpads 134 zum elektrischen Anschließen der einzelnen Spulen 120 und/oder von in den induktiven Bauelementen 130 sonst noch eventuell vorgesehene Elektronikbausteine sind vorzugsweise an wenigstens einer Außenkante des induktiven Bauelements 130 angeordnet.Contact pads 134 for electrical connection of the individual coils 120 and / or in the inductive components 130 any other electronic components that may be provided are preferably on at least one outer edge of the inductive component 130 arranged.

Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktpads 134 an einer Seite angeordnet. Bei dem in 13 und 14 dargestellten Ausführungsbeispiel des induktiven Bauelements 130 sind die Kontaktpads 134 an gegenüberliegenden Seiten innerhalb einer reckteckförmigen Aussparung 136 an gegenüberliegenden Seiten des induktiven Bauelements 130 vorgesehen. Wie in 14 durch das Detail A angedeutet, kann eines der Kontaktpads als Testpad ausgebildet sein. At the in 12th illustrated embodiment are the contact pads 134 arranged on one side. At the in 13 and 14 illustrated embodiment of the inductive component 130 are the contact pads 134 on opposite sides within a rectangular recess 136 on opposite sides of the inductive component 130 intended. As in 14 indicated by the detail A, one of the contact pads can be designed as a test pad.

Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Verfahrens zum Herstellen des für einen Sensorkopf einzusetzenden induktiven Bauelements 130 gemäß den 12 und 13 sieht vor, dass in einem starren Leiterplattenelement 138 Hohlräume für die einzelnen Spulen 120, 120a-120e ausgebildet werden.A preferred embodiment of a method for producing the inductive component to be used for a sensor head 130 according to the 12th and 13 provides that in a rigid circuit board element 138 Cavities for the individual coils 120 , 120a-120e be formed.

Die einzelnen Planarspulen 34, die die einzelnen Lagen der Spulen 120a-120e bilden, werden gemeinsam als Planarspuleneinheit 110 auf der flexiblen Leiterplatte 116 wie zuvor erläutert hergestellt, und die n Planarspuleneinheiten 110 mit den jeweiligen Planarspulen 34 werden computergesteuert übereinander angeordnet oder computergesteuert übereinander hergestellt. So wird eine Planarspulenanordnung 132 gebildet, die die aus einzelnen übereinander gelegten Planarspulen 34 gebildeten Spulen 120, 120a-120e aufweist.The individual planar coils 34 that the individual layers of the coils 120a-120e form together as a planar coil unit 110 on the flexible circuit board 116 manufactured as previously explained, and the n planar coil units 110 with the respective planar coils 34 are arranged one above the other under computer control or are produced one above the other under computer control. So is a planar coil arrangement 132 formed which consist of individual planar coils superimposed 34 formed coils 120 , 120a-120e having.

Bei einer Ausgestaltung werden die einzelnen Spulen mittels eines Schneidstempels gemeinsam ausgeschnitten und in einzelne Hohlräume des starren Leiterplattenelements 138 überführt.In one configuration, the individual coils are cut out together by means of a cutting punch and into individual cavities in the rigid printed circuit board element 138 transferred.

Bei einer anderen Ausgestaltung wird die Planarspulenanordnung 132, die durch Übereinanderschichten der Planarspuleneinheiten 110 gebildet ist, als induktives Bauelement 130 verwendet, so dass kein starres Leiterplattenelement 138 benötigt wird.In another embodiment, the planar coil arrangement 132 by stacking the planar coil units 110 is formed as an inductive component 130 used so that no rigid circuit board element 138 is needed.

Die Spulen 120 können beispielsweise aus insgesamt 4-100, z. B. 15, Windungen pro Planarspule 34 hergestellt werden, wobei zum Beispiel n=8 Lagen übereinander verwendet werden. Bevorzugt liegt n im Bereich von 3-15.The spools 120 can, for example, from a total of 4-100, e.g. B. 15 turns per planar coil 34 are produced, for example using n = 8 layers one above the other. N is preferably in the range from 3-15.

Werden, wie dies in 8 dargestellt ist, Durchkontaktierungen in Ringbereichen, die innerhalb und außerhalb der Fläche der Windungen liegen, eingesetzt, lässt sich beispielsweise das Maß Kupfer zur Kontur auf typischerweise 0,3 mm einstellen.Be like this in 8th shown, plated-through holes are used in ring areas that lie inside and outside the surface of the turns, for example, the dimension of copper for the contour can typically be set to 0.3 mm.

Wenn man wie in 9 dargestellt, die Durchkontaktierungen in die Kontur aufnimmt, wird der Flächennutzungsanteil durch die Windungen 122 erheblich verbessert.If you like in 9 shown, the vias in the contour, the area utilization share is through the turns 122 significantly improved.

Die Belastungsmessanordnung 16 mit dem Belastungssensor 12 innerhalb des Lastelements 14 gemäß bevorzugten Ausführungsformen implementiert ein Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2, wie es genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 112 913.8 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist.The load measuring arrangement 16 with the load sensor 12th within the load element 14 in accordance with preferred embodiments implements a signal processing concept for tapping and processing the signals of the magnetic field sensors 26-1 , 26-2 as it is more specific in the German patent application 10 2017 112 913.8 , which is expressly referred to, described and shown for further details.

Bei den in den 1 und 3 bis 7 gezeigten Ausgestaltungen ist ein sich drehendes Lastelement 14 vorgesehen. Das Lastelement 14 kann aber ein beliebiges Lastelement 14 sein, an dem Belastungen zu messen sind.In the in the 1 and 3rd to 7 Configurations shown is a rotating load element 14 intended. The load element 14 can be any load element 14 be against which loads are to be measured.

Auch können Spannungen als Belastungen gemessen werden. Die Belastungsmessanordnung 16 wie oben beschrieben kann daher insbesondere als magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung ausgestaltet sein. Diese weist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines durch den Bereich, an dem Spannungen zu erfassen sind, laufenden Magnetfeldflusses auf, sowie eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen eines Magnetfeldflusses in dem Bereich auf, an dem mechanische Spannungen zu erfassen sind.Stresses can also be measured as loads. The load measuring arrangement 16 As described above, it can therefore be designed in particular as a magnetoelastic voltage detection device. This has at least one magnetic field generating device 18th for generating a magnetic field flux running through the area where voltages are to be detected, and a magnetic field detection device 20th , 22 to detect a magnetic field flux in the area where mechanical stresses are to be detected.

Mechanische Spannungsänderungen an einer insbesondere aus einem weichmagnetischen Material gebildeten Oberfläche eines Körpers führen aufgrund des magnetoelastischen Effekts zu Permeabilitätsänderungen und so zu Änderungen eines in die Oberfläche induzierten Magnetfeldflusses. Dieser Effekt wird ausgenutzt, um Spannungen unmittelbar zu erfassen. Diese Spannungen sind zum Beispiel auch ein Maß für einen auf eine Membran wirkenden Druck.Due to the magnetoelastic effect, mechanical changes in tension on a surface of a body formed in particular from a soft magnetic material lead to changes in permeability and thus to changes in a magnetic field flux induced in the surface. This effect is used to directly record tensions. These tensions are, for example, also a measure of a pressure acting on a membrane.

Demnach ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 dazu ausgebildet, einen Magnetfluss zu erzeugen, der durch den Bereich des Lastelements 14 fließt, an dem Spannungen zu erfassen sind. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 ist dazu ausgebildet, durch mechanische Spannungen verursachte Änderungen an dem Magnetfeldfluss, wie insbesondere Richtungsänderungen der Magnetflusslinien des Magnetfelds 50, zu erfassen.Accordingly, the magnetic field generating device 18th configured to generate a magnetic flux that passes through the area of the load element 14 flows, where voltages can be detected. The magnetic field detection device 20th , 22 is designed to cause changes in the magnetic field flux caused by mechanical stresses, such as in particular changes in direction of the magnetic flux lines of the magnetic field 50 , capture.

Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist wenigstens eine Erregerspule LG vorzugsweise mit einem Erregerspulenkern auf. Die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 weist wenigstens eine Messspule 26 vorzugsweise mit einem Messspulenkern auf. Die Anordnung kann analog wie bei den in den 3 bis 14 gezeigten Sensorköpfen bzw. induktiven Bauelementen sein.The magnetic field generating device 18th has at least one excitation coil LG preferably with an excitation coil core. The magnetic field detection device 20th , 22 has at least one measuring coil 26 preferably with a measuring coil core. The arrangement can be analogous to that in the 3rd to 14 shown sensor heads or inductive components.

Für weitere Einzelheiten zu dem Aufbau der magnetoelastischen Spannungserfassungseinrichtung wird auf die DE 10 2016 122 172 A1 verwiesen. For further details on the construction of the magnetoelastic voltage detection device, reference is made to the DE 10 2016 122 172 A1 referred.

Für weitere Einzelheiten für einen Drucksensor und dessen mögliche Abwandlungen, Ausführungsformen, Funktionen, Verwendungen und Vorteile wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2017 104 547.3 verwiesen.For further details on a pressure sensor and its possible modifications, embodiments, functions, uses and advantages, reference is made to the unpublished one German patent application 10 2017 104 547.3 referred.

Nachfolgend wird anhand der 1 und 3 bis 7 als ein Beispiel ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung 16 gemäß der Erfindung beschrieben.The following is based on the 1 and 3rd to 7 as an example, a manufacturing method for manufacturing a load measuring device 16 described according to the invention.

Dabei wird zunächst ein zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildetes Lastelement 14 bereitgestellt; Weiterhin wird ein Belastungssensors 12 bereitgestellt, der eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 zum Erzeugen eines Magnetfelds 50 in dem Lastelement 14 und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters des in dem Lastelement 14 erzeugten Magnetfelds 50 umfasst. Der Belastungssensor 12 wird derart angeordnet, dass sich die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zumindest teilweise in dem Lastelement 14 befindet.First of all, a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material 14 provided; Furthermore, a load sensor 12th provided of a magnetic field generating device 18th to generate a magnetic field 50 in the load element 14 and a magnetic field detection device 20th , 22 for detecting a magnetic field parameter that changes in the load element due to the load 14 generated magnetic field 50 includes. The load sensor 12th is arranged such that the magnetic field detection device 20th , 22 at least partially in the load element 14 located.

Hierzu wird in dem Lastelement 14 ein Hohlraum oder Schlitz 14a zur Aufnahme der Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 ausgebildet.This is done in the load element 14 a cavity or slot 14a to accommodate the magnetic field detection device 20th , 22 educated.

Der Belastungssensor 12 wird so in dem Lastelement 14 angeordnet, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 in das Lastelement 14 eintaucht. Gemäß diesem Beispiel taucht auch die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 in das Lastelement 14 ein.The load sensor 12th so in the load element 14 arranged that the magnetic field detection device 20th , 22 in the load element 14 immersed. According to this example, the magnetic field generating device is also immersed 18th in the load element 14 on.

Insbesondere wird der Belastungssensor 12 so angeordnet, dass die Generatorspule 18 und die Sensorspulen 26 in das Lastelement 14 eintauchen. Anders ausgedrückt, der Sensorkopf 10 des Belastungssensors 12 mit seinen Spulen oder Elementen 18, 26 zur Erzeugung bzw. Erfassung des Magnetfelds 50 wird in dem Hohlraum 14a des Lastelements 14 angeordnet bzw. taucht in das Lastelement 14 ein.In particular, the load sensor 12th arranged so that the generator coil 18th and the sensor coils 26 in the load element 14 immerse yourself. In other words, the sensor head 10th of the load sensor 12th with its coils or elements 18th , 26 to generate or record the magnetic field 50 is in the cavity 14a of the load element 14 arranged or immersed in the load element 14 on.

Als Spulen 18, 26 zur Erzeugung bzw. Erfassung des Magnetfelds 50 werden beispielsweise die Spulen 120, die Planarspulen 34 und/oder die Planarspulenanordnungen 132 verwendet, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 8 bis 14 beschrieben sind. Insbesondere wird als Belastungssensor eine Planarspulenanordnung 132 in dem Lastelement 14 bzw. dem dazu ausgebildeten Hohlraum oder Schlitz 14a angeordnet.As coils 18th , 26 to generate or record the magnetic field 50 for example, the coils 120 who have favourited Planar Coils 34 and / or the planar coil arrangements 132 used as described above with reference to the 8th to 14 are described. In particular, a planar coil arrangement is used as the load sensor 132 in the load element 14 or the cavity or slot formed for this purpose 14a arranged.

Insbesondere kann der Sensorkopf 10, wie er oben unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 beschrieben ist, als Teil des Belastungssensors 12 innerhalb des Lastelements 14 positioniert werden.In particular, the sensor head 10th as stated above with reference to the 3rd to 7 is described as part of the load sensor 12th within the load element 14 be positioned.

Nachfolgend wird beispielhaft anhand der 1 ein Belastungsmessverfahren Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem zumindest teilweise aus magnetostriktivem oder magnetoelastischem Material gebildeten Lastelement 14 beschrieben. Dabei wird mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 ein Magnetfeld 50 in dem Lastelement 14 erzeugt. Ein sich aufgrund der Belastung ändernder Magnetfeldparameter des in dem Lastelement 14 erzeugten Magnetfelds 50 wird mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 erfasst. Dabei ist die Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 zumindest teilweise in dem Lastelement 14 angeordnet.The following is an example using the 1 a load measurement method load measurement method for measuring a load in a load element formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material 14 described. This is done by means of a magnetic field generating device 18th a magnetic field 50 in the load element 14 generated. A magnetic field parameter that changes in the load element due to the load 14 generated magnetic field 50 is by means of a magnetic field detection device 20th , 22 detected. Here is the magnetic field detection device 20th , 22 at least partially in the load element 14 arranged.

Aus den Magnetfeldparametern wie Richtung und Stärke wird mittels einer Auswerteeinrichtung 42 die Belastung ermittelt.The magnetic field parameters such as direction and strength become an evaluation device 42 the load is determined.

Das Messverfahren wird mit einer erfindungsgemäßen Belastungsmessanordnung 16 durchgeführt, wie sie oben beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail erläutert ist.The measuring method is with a load measuring arrangement according to the invention 16 performed as described above with reference to the figures.

BezugszeichenlisteReference list

1010th: SensorkopfSensor head
1212th: BelastungssensorLoad sensor
1313: Schicht aus ferromagnetischem MaterialLayer of ferromagnetic material
1616: BelastungsmessanordnungLoad measuring arrangement
1414: Lastelement bzw. WerkstückLoad element or workpiece
14a14a: Hohlraum, SchlitzCavity, slot
1818th: Magnetfelderzeugungseinrichtung bzw. GeneratorspuleMagnetic field generating device or generator coil
2020th: erste Magnetfelderfassungseinrichtungfirst magnetic field detection device
2222: zweite Magnetfelderfassungseinrichtungsecond magnetic field detection device
2626: Magnetfeldsensor 26-1 erster Magnetfeldsensor 26-2 zweiter MagnetfeldsensorMagnetic field sensor 26-1 first magnetic field sensor 26-2 second magnetic field sensor
2727: FestkörpermagnetfeldsensorSolid state magnetic field sensor
2828: X-AnordnungX arrangement
3030th: FlusskonzentratorFlow concentrator
3232: V-AnordnungV arrangement
3434: PlanarspulePlanar coil
3535: IsoliermaterialschichtLayer of insulating material
36 36: LeiterplattenelementPCB element
4040: DrehwinkelerfassungseinrichtungAngle of rotation detection device
4242: AuswerteeinrichtungEvaluation device
5050: MagnetfeldMagnetic field
5252: Anordnung bzw. ElektronikArrangement or electronics
110110: PlanarspuleneinheitPlanar coil unit
114114: IsoliermaterialschichtLayer of insulating material
116116: flexible Leiterplatteflexible circuit board
118118: elektrischer Leiterelectrical conductor
120120: SpuleKitchen sink
120a120a: erste Spulefirst coil
120b120b: zweite Spulesecond coil
120c120c: dritte Spulethird coil
120d120d: vierte Spulefourth coil
120e120e: fünfte Spulefifth coil
122122: WindungSwirl
124124: DurchkontaktierungPlated-through hole
124a124a: äußere Durchkontaktierungexternal via
124b124b: innere Durchkontaktierunginternal via
126126: DurchgangsöffnungThrough opening
130130: induktives Bauelementinductive component
132132: PlanarspulenanordnungPlanar coil arrangement
134134: KontaktpadContact pad
136136: AussparungRecess
138138: starres Leiterplattenelement rigid circuit board element
A1, A2A1, A2: Detektorspulen bzw. SensorspulenDetector coils or sensor coils
B1, B2B1, B2: Detektorspulen bzw. SensorspulenDetector coils or sensor coils
LGLG: GeneratorspuleGenerator coil
FF: Belastungburden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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EP 0384042 A2 [0004]
DE 3031997 A [0004]
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DE 102017104547 [0110]

Claims

Load measurement arrangement (16) comprising a load element (14) formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material and a load sensor (12) for measuring a load on the load element (14), wherein the load sensor (12) a magnetic field generating device (18) for generating a magnetic field (50) in the load element (14) and a magnetic field detection device (20, 22) for detecting a magnetic field parameter of the magnetic field generated in the load element (14) that changes due to the load 50) includes, and the magnetic field detection device (20, 22) is at least partially arranged in the load element (14).

Load measuring arrangement (16) according to Claim 1 , characterized in that the magnetic field detection device (20, 22) is immersed in the load element (14).

Load measuring arrangement (16) according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the magnetic field generating device (18) is at least partially arranged in the load element (14) and / or immersed in the load element (14).

Load measuring arrangement (16) according to one of the preceding claims, characterized in that 4.1. the magnetic field detection device (20, 22) comprises one or more sensor coils (26) for detecting the magnetic field (50), and / or 4.2. the magnetic field generating device (18) comprises one or more generator coils (LG) for generating the magnetic field (50), and / or 4.3. the magnetic field detection device (20, 22) and / or the magnetic field generating device (18) are designed as planar coils (34) or planar coil arrangements (132) or comprise such.

Load measuring arrangement (16) according to Claim 4 , characterized in that the planar coil (34) is formed on an insulating material layer (34) made of electrical insulating material to form a planar coil unit (110).

Load measuring arrangement (16) according to Claim 4 or 5 , characterized in that several planar coils (34) and / or planar coil units (110) are arranged one above the other.

Load measuring arrangement (16) according to one of the Claims 4 to 6 , characterized in that the planar coils (34) or planar coil units (110) are realized on a printed circuit board (134) or a substrate carrier with conductor paths.

Load measuring arrangement (16) according to one of the Claims 4 to 7 , characterized by at least one of the following training courses: 8.1. that the sensor coil (26) is arranged around the generator coil (18), 8.2. that the generator coil (18) is arranged around the sensor coil (26), 8.3. that the coils (18, 26) are arranged concentrically to one another, 8.4. that the coils (18, 26) are arranged axially adjacent to one another, 8.5. that at least one generator coil (18) is arranged between a first and a second sensor coil (26), 8.6. that at least one sensor coil (26) is arranged between a first and a second generator coil (18).

Load measurement arrangement (16) according to one of the preceding claims, characterized by electronics (52) for supplying the load sensor (12) and / or for signal processing and / or signal evaluation, which is provided on a printed circuit board (134) or a substrate carrier.

Load measuring arrangement (16) according to one of the preceding claims, characterized in that the load element (14) is an element from the group comprising a rotary shaft, a bending beam, a pull rod or push rod, a load transmission part of a fluid-actuated cylinder, a piston rod comprises a movable element relative to the generator coil (18) and the magnetic field detection device (20, 22) and a load transmission part of a transmission.

Manufacturing method for manufacturing a load measuring arrangement (16) according to one of the preceding claims, characterized by the steps: - providing a load element (14) formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material; - Providing a load sensor (12) which has a magnetic field generation device (18) for generating a magnetic field (50) in the load element (14) and a magnetic field detection device (20, 22) for detecting a magnetic field parameter of the load element (14 ) generated magnetic field (50), - arranging the load sensor (12) such that the magnetic field detection device (20, 22) is at least partially in the load element (14).

Manufacturing process according to Claim 11 , characterized in that the load sensor (12) is arranged such that the magnetic field detection device (20, 22) is immersed in the load element (14).

Manufacturing process according to Claim 11 or 12th , characterized in that a cavity or slot (14a) for receiving the magnetic field detection device (20, 22) is formed in the load element (14)

Load measurement method for measuring a load in a load element (14) formed at least partially from magnetostrictive or magnetoelastic material, comprising the steps: Generating a magnetic field (50) in the load element (14) by means of a magnetic field generating device (18); Detecting a magnetic field parameter of the magnetic field (50) generated in the load element (14) that changes due to the load by means of a magnetic field detection device (20, 22); wherein the magnetic field detection device (20, 22) is at least partially arranged in the load element (14).

Load measurement method according to Claim 14 , characterized in that it with a load measuring arrangement (16) according to one of the Claims 1 to 10th is carried out.