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Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, der als magnetoelastischer oder magnetostriktiver Sensor ausgebildet ist und vorzugsweise mit magnetischen Wechselfeldern arbeitet.
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Für nähere Einzelheiten zu berührungslos arbeitenden magnetoelastischen oder magnetostriktiven Sensoren wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:
- [1] Lutz May, „Drehmoment so einfach wie Temperatur messen“ in Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015;
- [2] Gerhard Fiedler, Franz Merold „Intelligente Sensorik - Magnetorestriktive Drehmomentsensoren“ in Elektronik Journal 04/2016;
- [3] H. Ruser, U. Tröltzsch, M. Horn, H.-R. Tränkler; „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-cost Sensor“ downgeloaded am 02.06.2016 unter http://www.mikrocontroller.net/attachment/22413/Drehmomentsensor - Kreuzspule.pdf; Vortrag VDE/VDI-Fachtagung 11. und 12. März 2002, Ludwigsburg, siehe auch die Referenzen in diesem Dokument;
- [4] WO2015/001097 A1 .
- [5] DE 30 31 997 A1
- [6] EP 00 46 517 A1
- [7] US 4 503 714 A
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Kraftsensoren zum Messen axialer Kräfte auf Wellen oder dergleichen unter Verwendung des magnetoelastischen Effekts (d.h. invers magnetostriktiv; Viterbi-Effekt) sind beispielsweise aus den folgenden Literaturstellen bekannt:
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Allerdings müssen bei den bekannten Kraftsensoren zum Messen von Axialkräften die Kräfte über ein Drehlager übertragen werden, so dass die Kraftmessung nur indirekt und somit ungenau erfolgen kann. Berührungslose Kraftsensoren aus den oben genannten Literaturstellen haben den Nachteil, dass die Messung stark abhängig von dem Abstand des zu vermessenden Lastelements (z.B. einer Welle) von dem Sensorkopf ist, so dass Variationen im Abstand, wie sie bei einer Relativbewegung des zu vermessenden Lastelements zu dem Sensorkopf auftreten können, zu Ungenauigkeiten führen können.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Kraftsensor zur Messung von axialen Kräften an einem beweglichen Lastelement zur Verfügung zu stellen, der berührungslos und genau arbeitet.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Kraftsensor nach Anspruch 1 sowie ein Kraftmessverfahren nach dem Nebenanspruch.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt einen Kraftsensor zum unmittelbaren Messen von axialen Kräften in einem zumindest teilweise aus magnetostriktiven oder magnetoelastischen Material gebildeten Lastelement, vorzugsweise einem relativ zu dem Kraftsensor beweglichen Lastelement, umfassend wenigstens eine Generatorspule zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement und eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds in dem Lastelement, wobei die Generatorspule derart um das Lastelement herum anzuordnen ist, dass das Lastelement als Spulenkern für die Generatorspule wirkt, und wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung ebenfalls um das Lastelement herum angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine Sensorspule aufweist, die derart um das Lastelement herum anzuordnen ist, dass das Lastelement als Spulenkern für die Sensorspule wirkt.
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Es ist bevorzugt, dass die Sensorspule um die Generatorspule herum angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Generatorspule um die Sensorspule herum angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Spulen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Es ist bevorzugt, dass die Spulen axial benachbart zueinander angeordnet sind.
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Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine Generatorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Sensorspule angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine Sensorspule zwischen einer ersten und einer zweiten Generatorspule angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine Spule des Kraftsensors als Planarspule ausgeführt ist.
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Es ist bevorzugt, dass die Planarspule auf einer Leiterplatte oder einem Substratträger mit Leitungspfaden realisiert ist, die bzw. der zur Anordnung um das Lastelement herum ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass auf der Leiterplatte bzw. dem Substratträger eine Elektronik zur Speisung der Spule und/oder zur Signalaufbereitung und/oder Signalauswertung vorgesehen ist.
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Es ist bevorzugt, dass ein äußeres Gehäuse aus ferromagnetischem Material zur Abschirmung vorgesehen ist.
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Es ist bevorzugt, dass das Lastelement als Spulenkern in einer Primärmessanordnung vorgesehen ist, die die wenigstens eine Generatorspule als Primärgeneratorspule zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement und die Magnetfelderfassungseinrichtung als Primärmagnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des Magnetfelds in dem Lastelement aufweist, wobei der Kraftsensor weiter eine Sekundärmessanordnung mit einem vorzugsweise nicht belasteten Referenzelement, einer Sekundärgeneratorspule zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Referenzelement und eine Sekundärmagnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen des Magnetfelds in dem Referenzelement aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Kraftmessanordnung umfassend das Lastelement und den Kraftsensor gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen vorgesehen.
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Das Lastelement ist vorzugsweise ein Lastübertragungsteil in einer Lastübertragungskette einer Kraftübertragung. Z.B. ist das Lastelement eine Drehwelle, ein Biegebalken, eine Zugstange oder Druckstange, ein Lastübertragungsteil eines mit Fluid betätigbaren Zylinders, eine Kolbenstange oder ein Lastübertragungsteil eines Getriebes. Besonders bevorzugt ist das Lastelement ein relativ zu der Generatorspule und der Magnetfelderfassungseinrichtung bewegliches Element.
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Weiter schafft die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Messen einer Axialkraft in einem beweglichen Lastelement, das zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven magnetoelastischen Material gebildet ist, umfassend Erzeugen eines Magnetfelds in dem Lastelement mithilfe einer um das Lastelement herum angeordneten Generatorspule und Erfassen eines induzierten Magnetfeldes mithilfe einer um das Lastelement herum angeordneten Magnetfelderfassungseinrichtung.
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Das Verfahren wird bevorzugt mithilfe eines Kraftsensors gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen durchgeführt.
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Einige Eigenschaften und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert.
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Für die Messung von Kräften in Wellen und anderen Messstellen existieren bereits Verfahren auf Basis der in [1], [2] und [3] beschriebenen Technologie. Herausforderung mit dieser Technologie und deren Anordnung ist es, eine Abstandskompensation und/oder eine Kompensation der RSN zu machen - RSN steht für „Rotational Signal Non-Uniformity“ und ist eine Signalvariation, die auftritt, wenn sich ein Messkörper bewegt oder dreht, und die durch verschiedene physikalische Effekte in der Messstelle bedingt ist.
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Eine Möglichkeit für eine Messung, die eine deutliche verbesserte Abstandsabhängigkeit und Abhängigkeit der RSN darstellt, ist, das Magnetfeld nicht lokal in die Messstelle einzukoppeln, sondern die Messstelle (Welle, Biegebalken, Zylinderstab ...) als Spulenkern zu verwenden und die Generatorspule um die Messstelle herumzuwickeln.
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Durch Beaufschlagung der Messstelle durch Zug oder Druck ändert sich die Permeabilität und damit die Induktivität der Generatorspule, was sich auf den Magnetischen Fluss (B-Feld) in der Messstelle als Spulenkern auswirkt und damit durch eine Sensorspule oder andere Magnetische Sensoren (GMR, Fluxgate, Hallsensor) gemessen werden kann. Durch eine Anordnung von verschiedenen magnetischen Sensoren um die Messstelle herum kann eine Inhomogenität über den Umfang herausgemittelt werden.
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Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel wird eine einfache Anordnung mit einer Generatorspule und einer Sensorspule in einer Planarspule umgesetzt.
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Dabei können die Generatorspule und die Sensorspule konzentrisch zueinander angeordnet sein. Dabei kann die Generatorspule außen und die Sensorspule innen liegen oder umgekehrt die Generatorspule innen liegen und die Sensorspule außen liegen.
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Generatorspule und Sensorspule können (z.B. in Axialrichtung) übereinander angeordnet sein.
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Die Generatorspule und die Sensorspule können auch axial benachbart zueinander angeordnet werden. Es ist auch eine Ausführung möglich, bei der eine Generatorspule zwischen zwei Sensorspulen angeordnet ist oder auch umgekehrt eine Sensorspule oder eine von mehreren Sensorspulen zwischen wenigstens zwei Generatorspulen angeordnet ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Sensorspule eingebettet zwischen zwei Generatorspulen - dasselbe ist auch denkbar so, dass eine Generatorspule in der Mitte ist und außen jeweils zwei Sensorspulen.
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Eine Ausführungsform umfasst eine Anordnung mit nur einer Generatorspule und magnetischen Sensoren, die so angeordnet sind, dass Sie eine Veränderung des AC-Feldes messen können.
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Anstelle einer um die Messstelle herum gewickelten Sensorspule können auch andere Magnetfeldsensoren vorgesehen sein. Vorzugsweise sind dann mehrere Magnetfeldsensoren um die Messstelle herum angeordnet, vorzugsweise gleich verteilt um die Messstelle herum angeordnet. Die Magnetfeldsensoren können auch einzelne kleine Spulenwicklungen sein, die z.B. mit einem Ferritkern (d.h. Kern aus weichmagnetischem Material) bestückt sind, um deren Induktivität zu verbessern.
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Eine weitere Ausgestaltung hat eine Primärmessanordnung um das bewegliche Lastelement (z.B. Welle, Biegebalken, Zylinder oder dergleichen) und eine Sekundäranordnung um ein Referenzelement. Beispielsweise ist eine Anordnung mit einer Sekundäranordnung vorgesehen, die nicht im Kraftfluss ist. Die Sekundäranordnung kann z.B. direkt realisiert sein durch ein Metallgehäuse, welches auch Schirmeigenschaften hat. Diese Lösung mit Primärmessanordnung und Sekundäranordnung oder Referenzmessanordnung ermöglicht z.B. eine differentielle Messung, auch wenn nur mit Spulenwicklungen als Sensor gearbeitet werden soll.
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Es gibt viele Möglichkeiten der Anordnung von Generatorspule und Sensorspule - denkbar sind auch mehrere Generatorspulen und mehrere Sensorspulen. Es gibt auch verschiedene mögliche Kombination von Abstand und Anordnung.
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Die Verwendung von Planarspulen anstatt gewickelter Spulen bringt einen deutlichen kommerziellen Mehrwert. Z.B. können auf einer Leiterplatte oder einem sonstigen Elektronikbauelement realisierte Planarspulen verwendet werden. Auf einem derartigen Elektronikbauelement (z.B. Leiterplatte), können auch Magnetfeldsensoren bestückt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Elektronik zur Speisung und/oder Auswertung auf dem Elektronikbauelement platziert werden.
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Die Änderung der Permeabilität und damit des Feldes kann mit jeder herkömmlichen Methode für die Messung von AC Magnetfeldern durchgeführt werden, d.h. es können alle gängigen Methoden für die Messung von Magnetfeldern verwendet werden.
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Durch leichtes Verdrehen der Magnetfeldsensoren zueinander mit einem bestimmten Winkel kann auch eine differentielle Messung realisiert werden.
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Durch die Anordnung verschiedener Sensoren um die Welle herum können auch Biegekräfte und/oder Zugkräfte, die nicht in axialer Richtung auf die Welle wirken, gemessen werden und/oder herausgerechnet werden.
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Bei der Verwendung von einer Spulenwicklung als Sensor gibt es normalerweise keine Möglichkeit, eine differenzielle Messung zu machen - für diesen Fall besteht die Möglichkeit, eine zusätzliche Spule in einem zusätzlichen Eisenkern oder dergleichen, der nicht im Kraftfluss ist, unterzubringen.
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Durch eine Umschließung der Anordnung mit einem ferromagnetischen Material kann eine Effizienzsteigerung aufgrund eines magnetischen Ringschlusses und eine Schirmung der Magnetfelder realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine Kraftmessanordnung mit einem Lastelement und einem Kraftsensor zum magnetoelastischen unmittelbaren Messen von axialen Kräften in dem Lastelement;
- 2 eine Darstellung vergleichbar der 1 einer zweiten Ausführungsform der Kraftmessanordnung mit einer zweiten Ausführungsform des Kraftsensors, wobei ein Gehäuse des Kraftsensors zur Übersicht weggelassen worden ist;
- 3 eine Ansicht vergleichbar der 2 einer dritten Ausführungsform der Kraftmessanordnung mit einer dritten Ausführungsform des Kraftsensors;
- 4 eine Ansicht vergleichbar der 2 einer vierten Ausführungsform der Kraftmessanordnung mit einer vierten Ausführungsform des Kraftsensors;
- 5 eine Ansicht vergleichbar der 2 einer fünften Ausführungsform der Kraftmessanordnung mit einer fünften Ausführungsform des Kraftsensors;
- 6 eine Draufsicht auf die Kraftmessanordnung von 5 von oben in 5 gesehen; und
- 7 eine Längsschnittsansicht entlang einer axialen Richtung durch eine sechste Ausführungsform einer Kraftmessanordnung zur unmittelbaren Messung von axialen Kräften in einem Lastelement mit dem Lastelement und einem Kraftsensor, wobei der Kraftsensor eine Primärmessanordnung und eine Sekundärmessanordnung für eine Referenzmessung zum Durchführen einer differentiellen Kraftmessung aufweist.
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In den Figuren sind unterschiedliche Ausführungsformen einer Kraftmessanordnung 10 dargestellt, die ein Lastelement 12 und einen Kraftsensor 14 aufweist.
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Das Lastelement 12 ist beispielsweise ein im Zuge einer Kraftübertragung, beispielsweise in einem Getriebe, innerhalb der Lastübertragungskette befindliches Element, wie beispielsweise eine Drehwelle 16. Bei anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) ist das Lastelement 12 ein Kraftübertragungsteil eines hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren Zylinders, wie beispielsweise eine Kolbenstange, ein Teil eines Kolbens, ein Getriebeteil, eine Druckstange oder eine Zugstange, ein Biegebalken oder ein sonstiges Kraftübertragungselement.
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Insbesondere ist das Lastelement 12 ein Element, welches zur Kraftübertragung beweglich ist.
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Der Kraftsensor 14 ist zur unmittelbaren Messung von Kräften und insbesondere einer Axialkraft 18 in dem Lastelement 12 ausgebildet und ist hierzu als magnetoelastischer Kraftsensor 14 ausgebildet, der auf das Lastelement 12 wirkende Kräfte 18 magnetoelastisch misst.
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Der Kraftsensor 14 ist bei allen Lastelementen 12 einsetzbar, die zumindest teilweise aus Materialien gebildet sind, welche unter Belastung ihre magnetischen Eigenschaften ändern, und insbesondere ihre Permeabilität ändern. Entsprechende magnetoelastische oder magnetostriktive Materialien sind aus den vorerwähnten Literaturstellen bekannt.
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Der Kraftsensor 14 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Lastelement 12 und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 22 zum Erfassen eines Magnetfeldes in dem Lastelement 12 auf, die insbesondere dazu ausgebildet ist, Magnetfeldänderungen zu erfassen, die sich aufgrund einer Last auf das Lastelement 12 ergeben.
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Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 20 weist wenigstens eine Generatorspule 24 auf.
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Die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 kann wenigstens eine Sensorspule 26 aufweisen; in einigen Ausführungsformen können die Magnetfeldänderungen auch auf andere Art und Weise erfasst werden. Allgemein weist demnach die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 wenigstens einen Magnetsensor 28 auf.
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Um Variationen an dem gemessenen Signal aufgrund von Variationen im Abstand oder Variationen im Material oder sonstigen Variationen entlang des Umfangs des Lastelementes 12 zu vermeiden, ist die Kraftmessanordnung 10 derart ausgebildet, dass das Lastelement 12 als Spulenkern für die Generatorspule 44 und gegebenenfalls für die Sensorspule 26 ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die wenigstens eine Generatorspule 24 um das Lastelement 12 herum angeordnet. Weiter ist die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 um das Lastelement 12 herum angeordnet. In dem Fall, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 wenigstens eine Sensorspule 26 aufweist, ist das Lastelement 12 als Spulenkern für die Sensorspule 26 ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Sensorspule 26 um das Lastelement 12 herum angeordnet. Im Falle, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 mehrere Magnetsensoren 28 aufweist, sind diese Magnetsensoren um das Lastelement 12 herum verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind die Magnetsensoren 28 gleich beabstandet um den Umfang des Lastelements 12 herum angeordnet.
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Wenigstens die Generatorspule 24 ist als Planarspule 30 auf einem Trägersubstrat 32 ausgebildet, auf dem auch Anschlussleitungen (nicht dargestellt) zum Speisen der Spule und/oder für Signalleitungen realisiert sind. Bei den Ausführungsformen mit Sensorspule 26 ist auch die wenigstens eine Sensorspule 26 als Planarspule 30 ausgebildet.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Trägersubstrat 32 in Form von wenigstens einer Leiterplatte 34 ausgebildet, wobei die Planarspule 30 als spiralförmige Leitung in einer oder bevorzugt mehreren Leiterschichten der wenigstens einen Leiterplatte 34 ausgebildet ist. Eine Vergrößerung der Anzahl von Windungen der Planarspule 30 kann dadurch erreicht werden, dass mehrere Leiterplattenschichten, die jeweils mehrere leitfähige Schichten und Isolationsmaterial dazwischen aufweisen, entsprechend derart strukturiert werden, dass spiralförmige Abschnitte der Planarspule 30 darauf ausgebildet sind und dann die entsprechenden Abschnitte durch Durchkontaktierungen (nicht dargestellt) miteinander verbunden werden.
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In anderen, hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen können auch andere Trägersubstrate verwendet werden; beispielsweise lässt sich das Trägersubstrat mit den Planarspulen und eventuell weiteren elektronischen Baueinheiten auch nach Techniken der Halbleitertechnologie, insbesondere in MEMS-Technologie, aufbauen.
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Alle hier dargestellten Ausführungsformen nutzen die Leiterplattentechnik; für weitere Einzelheiten zur Realisierung der Planarspulen und zur Kontaktierung und Verpackung der entsprechenden Leiterplattenelemente wird auf die nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung 10 2016 122 172.4 , angemeldet am 17. November 2016, verwiesen, in der auch weitere Einzelheiten zur Ausbildung des Trägersubstrats
32, der Planarspule
30 und der Leiterplatte
34 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung und zu deren Packaging erläutert sind. Auch die unterschiedlichen Ausführungsformen des hier beschriebenen Kraftsensors
14 werden mit einem Packaging versehen, wie sie in der vorgenannten Patentanmeldung beschrieben und gezeigt sind.
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Bei allen gezeigten Ausführungsformen hat das Trägersubstrat 32, insbesondere die wenigstens eine Leiterplatte 34, wenigstens eine zentrale Öffnung 36 zum Durchgreifen des Lastelements 12.
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Die wenigstens eine Leiterplatte 34 kann einstückig ausgebildet sein oder auch mehrteilig ausgebildet sein. Z.B. hat die Leiterplatte 34 einen ringförmigen Bereich mit der Öffnung 36 in der Mitte. In anderen Ausgestaltungen ist ein ringförmiger Bereich aus mehreren Ringsegmenten gebildet. Eine mehrteilige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass mehrere Teile des Kraftsensors 14 in demontiertem Zustand um das Lastelement 12, beispielsweise eine Drehwelle 16, einfach herum angeordnet werden können, ohne das Lastelement 12 ausbauen zu müssen. Vorzugsweise werden die entsprechenden Elemente des Trägersubstrats 32 dann miteinander verbunden.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist als einfaches Ausführungsbeispiel eine einstückige Leiterplatte 34 mit einer zentralen Öffnung 36 vorgesehen, durch welche das Lastelement 12 hindurchgesteckt wird.
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Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 weist eine erste Ausführungsform des Kraftsensors 14 auf, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 eine Sensorspule 26 aufweist, welche konzentrisch innerhalb der Generatorspule 24 angeordnet ist. Die Generatorspule 24 ist außen um die Sensorspule 26 herum angeordnet.
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Weiter sind die Feldlinien 38 des durch die Generatorspule 24 in dem Lastelement 12 generierten Magnetfeldes 40 angedeutet. Wirkt eine axiale Kraft 18 auf das Lastelement 12, dann ändert sich die Permeabilität des Lastelements 12 und somit die Induktivität der Generatorspule 24, was zu einer Veränderung des Magnetfeldes 40 führt, die durch die Magnetfelderfassungseinrichtung 22 gemessen werden kann. Das entsprechende Signal zeigt eine unmittelbare Korrelation mit der axialen Kraft 18 und kann somit als Messsignal verwendet und ausgewertet werden.
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Weiter ist in 1 ein Gehäuse 42 aus weichmagnetischem Material dargestellt, welches um den Kraftsensor 14 herum angeordnet ist und zur Abschirmung und zum Bilden eines magnetischen Ringschlusses dient.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, wobei allerdings eine zweite Ausführungsform des Kraftsensors 14 gegenüber der ersten Ausführungsform die Variation aufweist, dass die Generatorspule 24 innenliegend und die Sensorspule 26 außenliegend angeordnet ist.
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Die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 weist eine dritte Ausführungsform des Kraftsensors 14 auf, wobei die Generatorspule 24 und die Sensorspule 26 nicht konzentrisch zueinander angeordnet sind, sondern axial benachbart zueinander angeordnet sind. In 3 ist die Sensorspule 26 oberhalb der Generatorspule 24 angeordnet.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 mit einer vierten Ausführungsform des Kraftsensors 14, die eine Variation der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform insoweit darstellt, dass eine Sensorspule 26 zwischen einer ersten Generatorspule 24a und einer zweiten Generatorspule 24b angeordnet ist.
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Eine nicht dargestellte Variation der in 4 dargestellten Kraftmessanordnung 10 hat eine umgekehrte Anordnung von Generatorspulen 24 und Sensorspulen 26. Es kann eine Generatorspule 24 zwischen einer ersten Sensorspule 26 und einer zweiten Sensorspule 26 angeordnet sein. Selbstverständlich sind hier weitere verschiedene Anordnungsmöglichkeiten denkbar. Auch kann die Übereinanderanordnung der 3 bis 4 mit einer konzentrischen Anordnung, beispielsweise der 1 und 2, beliebig kombiniert werden.
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Die Ausbildung des Kraftsensors 14 mit einem Trägersubstrat 32, insbesondere wenigstens einer Leiterplatte 34, hat den Vorteil, dass weitere elektronische Bauelemente 44 auf der Leiterplatte 34 oder dem sonstigen Trägersubstrat 32 angeordnet und realisiert werden können. Beispielsweise können die Magnetsensoren 28 auf der Leiterplatte 34 bestückt werden, die die Generatorspule 24 als Planarspule 30 aufweist.
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Die Magnetsensoren 28 können beispielsweise als Hall-Sensoren ausgebildet sein. Eine andere Ausgestaltung der Magnetsensoren 28 (nicht dargestellt) weist lokale Spulen mit Ferritkernen auf, welche radial zu dem Lastelement 12 hin ausgerichtet sind. In den 5 und 6 sind die Magnetsensoren 28 allgemein als Blöcke angedeutet, die um das Lastelement 12 herum angeordnet sind. Weiter ist in 6 die Bestückung der Leiterplatte 34 mit elektronischen Bauelementen 44 angedeutet. Hier kann beispielsweise eine Schaltung 46 zur Speisung der Spulen 30, 28, 26 vorgesehen sein, insbesondere mit einem Schwingungsgenerator; außerdem kann eine Auswerteeinheit 48 vorgesehen sein, die beispielsweise als elektronische Schaltung oder als Mikroprozessor mit entsprechender Software realisiert sein kann. Weiter ist in 6 das Anschlusskabel 50 gezeigt, welches zur Elektronik 52 (umfasst die elektronischen Bauelemente 44, 46, 48) geführt ist.
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In 7 ist noch eine weitere Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 dargestellt, welche eine Primärmessanordnung 54 aufweist, die im Wesentlichen wie der Kraftsensor gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen (z.B. der von 1) ausgebildet ist, wobei das Lastelement 12 durch die entsprechende Generatorspule 24 hindurchgeführt ist, um als Spulenkern zu wirken. Weiter weist die Ausführungsform der Kraftmessanordnung 10 von 7 eine Sekundärmessanordnung 56 auf, die vergleichbar der Primärmessanordnung 54 ausgebildet ist und demnach eine Sekundärgeneratorspule 58 und eine Sekundärmagnetfelderfassungseinrichtung 60 aufweist. Allerdings ist hier als Spulenkern ein Referenzelement 62 vorgesehen, welches anders als das zu vermessende Lastelement 12 nicht belastet oder mit einer Referenzlast belastet ist. Das Referenzelement 62 kann z.B. durch einen Teil des Gehäuses 42 gebildet sein.
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Aus den Signalen der Primärmessanordnung 54 und der Sekundärmessanordnung 56 kann eine differentielle Messung erhalten werden, somit erfolgt die Messung über Vergleich mit einer Referenzmessung an einem nicht oder definiert belasteten Referenzelement 62.
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Grundsätzlich kann hierbei die Primärmessanordnung 54 und die Sekundärmessanordnung 56 gleich ausgebildet sein und so ausgebildet sein, wie dies für die Ausbildung des Kraftsensors 14 bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftmessanordnung
- 12
- Lastelement
- 14
- Kraftsensor
- 16
- Drehwelle
- 18
- axiale Kraft
- 20
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 22
- Magnetfelderfassungseinrichtung
- 24
- Generatorspule
- 24a
- erste Generatorspule
- 24b
- zweite Generatorspule
- 26
- Sensorspule
- 28
- Magnetsensor
- 30
- Planarspule
- 32
- Trägersubstrat
- 34
- Leiterplatte
- 36
- Öffnung
- 38
- Feldlinien
- 40
- Magnetfeld
- 42
- Gehäuse
- 44
- elektronisches Bauelement
- 46
- Schaltung zum Speisen
- 48
- Auswerteeinheit
- 50
- Anschlusskabel
- 52
- Elektronik
- 54
- Primärmessanordnung
- 56
- Sekundärmessanordnung
- 58
- Sekundärgeneratorspule
- 60
- Sekundärmagnetfelderfassungseinrichtung
- 62
- Referenzelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/001097 A1 [0002]
- DE 3031997 A1 [0002]
- EP 0046517 A1 [0002]
- US 4503714 A [0002]
- EP 0292718 A1 [0003]
- EP 0142110 B1 [0003]
- DE 102016122172 [0057]
