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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung eines Dreh- oder Torsionsmoments.
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In verschiedenartigen Gebieten ist es erforderlich, ein ein Bauteil beaufschlagendes oder an einem Bauteil wirkendes Dreh- oder Torsionsmoment zu erfassen. Zu nennen sind beispielsweise An- oder Abtriebsachsen oder - welle oder ähnliches. Zur Erfassung des Dreh- oder Torsionsmoments kommt bisher eine aufwändig konzipierte Messelektronik zum Einsatz, die einerseits in der Herstellung aufwändig ist, andererseits aber auch relativ großvolumig ist und entsprechenden Bauraum benötigt.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde eine demgegenüber verbesserte Anordnung anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß eine Anordnung zur Messung eines Dreh- oder Torsionsmoments vorgesehen, umfassend ein mit einem Moment zu beaufschlagendes Bauteil mit einer daran angeordneten oder dem Bauteil zugeordneten Einrichtung zum Messen eines auf das oder am Bauteil wirkenden Dreh- oder Torsionsmoments, wobei am Bauteil wenigstens ein ein Magnetfeld erzeugender Bereich vorgesehen ist, der mit dem Moment beaufschlagt wird, und wobei die Einrichtung wenigstens einen Chip umfassend wenigstens einen das Magnetfeld erfassenden Sensor aufweist.
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Anstelle einer aufwändig konzipierten Messelektronik kommt erfindungsgemäß ein einfacher Chip zum Einsatz, der einen Magnetfeldsensor aufweist. Dieser Chip bestehend aus einem Chipträger, beispielsweise einer kleinen Platine, mit dem wenigstens einen Sensor ist sehr einfach und kleinbauend herstellbar, so dass einerseits seine Herstellkosten niedrig sind, zum anderen kann der Chip auch sehr klein und damit wenig Bauraum benötigend ausgelegt werden. An dem Chip kann ein Sensor vorgesehen sein, es können aber auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, wie natürlich die Anordnung auch mehrere Chips mit jeweils einem oder mehreren Sensoren erfassen kann, wobei die Chips respektive die Sensoren jeweils separate Messsignale liefern.
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Das Bauteil selbst ist mit einem oder mehreren aufmagnetisierten Bereichen versehen, das heißt, dass permanentmagnetische Bereiche oder Spuren ausgebildet sind, die ein mittels des Chips respektive des Sensors erfassbares Magnetfeld erzeugen. Wird nun auf das Bauteil ein Moment aufgebracht, mithin also das Bauteil mit einem Dreh- oder Torsionsmoment belastet bzw. wirkt ein solches Dreh- oder Torsionsmoment am Bauteil, so wirkt dieses Moment auch in dem das Magnetfeld erzeugenden Bereich. Dies führt dazu, dass das Magnetfeld belastungsbedingt verändert wird, wobei der Chip respektive der Sensor die Feldänderung erfasst. Aus diesen hochgenauen Messsignalen kann sodann mit hoher Präzision das jeweils anliegende Dreh- oder Torsionsmoment ermittelt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich also durch eine sehr einfach ausgeführte Messeinrichtung umfassend lediglich den einfach konzipierten Chip aus, es ist lediglich am Bauteil ein entsprechender magnetisierter Bereich vorzusehen. Hieraus resultieren einerseits Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten, andererseits insbesondere Vorteile hinsichtlich des erforderlichen Bauraumbedarfs betreffend die Integration oder den Verbau der Messeinrichtung. Auch kann durch die Magnetfeldmessung eine sehr hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
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Als Sensor wird bevorzugt ein einen magneto-resistiven Effekt zeigender Sensor, beispielsweise ein AMR-, GMR-, TMR- oder xMR-Sensor verwendet. Alternativ zur Verwendung eines solchen magneto-resistiven Sensors kann auch ein Fluxgate-Sensor verwendet werden, das heißt, dass anstelle eines derartigen magneto-resistiven Sensors ein Fluxgate-Sensor am Chip integriert ist. All diese Sensoren erlauben eine direkte Messung des Magnetfelds respektive etwaiger belastungsbedingter Feldänderungen, so dass man anhand der gelieferten Messsignale direkt auf das entsprechende Dreh- oder Torsionsmoment schließen kann.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn am Chip auch eine Auswerteelektronik, insbesondere ein Mikrokontroller zum Auswerten der von dem oder, wenn mehrere Sensoren vorgesehen sind, von den Sensoren gelieferten Sensorsignale vorgesehen ist. Es ist damit eine komplette Messeinrichtung umfassend einerseits die Signalaufnahme, andererseits die Signalauswertung vorgesehen, wobei die Auswerteelektronik, beispielsweise der Microcontroller, ebenfalls sehr kleinbauend ist und ohne weiteres auf dem Chip respektive dem Chipträger, also beispielsweise der Platine oder dergleichen, aufgebracht respektive oder integriert werden kann.
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Der Sensor oder der Sensor sowie die gegebenenfalls vorgesehene Auswerteelektronik sind dabei am Chip integriert, insbesondere ein- oder vergossen, so dass sich eine kompakte, auch gegen Umwelteinflüsse geschützte Ausgestaltung ergibt.
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Das Bauteil selbst, das hinsichtlich eines etwaigen Dreh- oder Torsionsmoments zu vermessen ist, ist beispielsweise eine Welle, eine Achse oder ein Lager, insbesondere ein Wälzlager. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise eine elektronische Wankstabilisierung, Antriebsachsen im Bereich automobiler Anwendungsbereiche, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, Radlager oder ähnliches, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist, denn die Anordnung kann letztlich in nahezu beliebigen Anwendungsbereichen verwendet werden, bei denen ein beliebiges Bauteil mit einem Dreh- oder Torsionsmoment belastet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer mit einem Torsionsmoment beaufschlagten Hohlwelle mit integriertem Chip,
- 2 eine Schnittansicht durch die Hohlwelle aus 1 mit Darstellung des Chips,
- 3 eine Prinzipdarstellung einer An- oder Abtriebswelle mit zugeordnetem Chip, teilgeschnitten,
- 4 eine Prinzipdarstellung eines Lagers mit zugeordneter Welle und entsprechenden Chips.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines ersten Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, umfassend ein mit einem Torsionsmoment aufschlagendes Bauteil 2 in Form einer Hohlwelle 3. Diese wird, wie durch die beiden Pfeile P1 und P2 dargestellt, mit einem Torsionsmoment beaufschlagt.
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Im Inneren ist eine Einrichtung 4 zum Messen des wirkenden Torsionsmoments vorgesehen, die in Form eines Chips 5 ausgeführt ist respektive einen solchen umfasst.
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Die Schnittansicht durch die Anordnung 1 aus 1, die in 2 gezeigt ist, zeigt nähere Details dieser Einrichtung 4.
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Der Chip 5 ist im gezeigten Beispiel mit vier Sensoren 6 versehen, bei denen es sich um Magnetfeldsensoren handelt. Bevorzugt handelt es sich um magneto-resistive Sensoren, beispielsweise AMR-, GMR-, TMR- oder xMR-Sensoren, alternativ kann es sich auch um integrierte Fluxgate-Sensoren handeln. Diese Sensoren 6 sind randseitig angeordnet und sind benachbart zu im gezeigten Beispiel ringförmig ausgeführten magnetischen Bereichen 7, die am Bauteil 2, also der Hohlwelle 3 ausgebildet sind, positioniert. Die magnetischen Bereiche 7, auch Spuren genannt, erzeugen ein Magnetfeld, das über die Sensoren 6 erfasst wird. Aufgrund eines wirkenden Torsionsmoments kommt es zu einer belastungsbedingten Änderung des Magnetfelds, wobei die Sensoren 6 in der Lage sind, diese Feldänderungen zu erfassen. Gestützt auf diese erfasste Feldänderung respektive die sensorseitigen Messsignale kann sodann mit hoher Präzision das gegebene Torsionsmoment ermittelt werden.
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Hierzu ist eine Auswerteeinrichtung 8 vorgesehen, im gezeigten Beispiel ein Microcontroller, 9, der der Signalauswertung und der Ermittlung des gegebenen Torsionsmoments dient.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Vorgesehen ist auch hier ein Bauteil 2, das mit einem Dreh- oder Torsionsmoment beaufschlagt wird. Das Bauteil 2 ist hier als volle Welle 10 ausgeführt. An der Welle 10 sind auch hier im gezeigten Beispiel zwei ringförmige magnetisierte Bereiche 7 vorgesehen, die, wie auch die Bereiche 7 beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2, auch als Magnetspuren bezeichnet werden können. Diese Bereiche 7 erzeugen auch hier ein permanentes externes Magnetfeld.
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Die Welle 2 ist im gezeigten Beispiel in einem hier geschnitten gezeigten Gehäuse 11 aufgenommen, in dem auch die Einrichtung 4 in Form des Chips 5 angeordnet respektive integriert ist. Auch hier weist der Chip 5 mehrere Sensoren 6 auf, bei denen es sich wiederum um magneto-resistive Sensoren oder integrierte Fluxgate-Sensoren handelt. Der Chip ist gehäuseseitig angeordnet, wobei zwischen dem Gehäuse 11 und der Welle 10 ein geringer Abstand von wenigen Millimetern gegeben ist. In diesem Abstand kann der Chip 5 ohne weiteres integriert werden, da er sehr dünn ausgeführt werden kann. Der Chip 5 ist beispielsweise über eine sehr dünne Platine oder einen andersartigen Träger gebildet, der entsprechend dünn und gegebenenfalls geometrisch geformt ausgeführt werden kann.
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Auch hier kann, wenngleich nicht gezeigt, am Chip 5 eine entsprechende Auswerteeinrichtung 8 in Form eines Microcontrollers 9 oder ähnlichem vorgesehen sein.
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Der oder die Sensoren 6 erfassen auch hier etwaige aus einem Dreh- oder Torsionsmoment resultierende Feldänderungen, so dass wiederum gestützt auf die hochpräzisen Sensorsignale der hochempfindlichen Sensoren 6 das Dreh- oder Torsionsmoment sehr genau ermittelt werden kann.
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Schließlich zeigt 4 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, wobei auch hierfür gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Gezeigt ist wiederum ein Bauteil 2 in Form einer vollen Welle 10, die im gezeigten Beispiel in einem Lager 12, beispielsweise in einem Wälzlager, aufgenommen und drehgelagert ist. An der Welle 10 ist im gezeigten Beispiel ein ein Magnetfeld erzeugender Bereich 7 vorgesehen, der wiederum ringförmig als Magnetspur umläuft. Am Lager 12, das beispielsweise über einen Lagerdeckel 13 geschlossen ist, sind im gezeigten Beispiel, die Einrichtung 4 bildend, zwei Chips 5 angeordnet, von denen jeder einen das von dem Bereich 7 erzeugte Magnetfeld messenden Sensor 6 aufweist. Über die Sensoren 6 können wiederum die entsprechenden Feldänderungen bei einer Dreh- oder Torsionsbelastung der Welle 10 ermittelt werden.
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Im gezeigten Beispiel ist lediglich am in der Figur rechts gezeigten Chip 5 eine Auswerteeinrichtung 8 wiederum in Form eines Microcontrollers 9 vorgesehen. Dieser Microcontroller 9 dient der Auswertung beider Sensorsignale, das heißt, dass der Microcontroller 9 mit beiden Sensoren 6 kommuniziert.
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Auch hier kann mit hoher Präzision ein etwaiges auf die Welle 10 wirkendes Dreh- oder Torsionsmoment erfasst werden.
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Die in den 1-4 gezeigten Beispiele sind lediglich exemplarisch und keinesfalls beschränkend. Es sind mannigfaltige, beliebige andere Anwendungsbereiche oder Anordnungsformen denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Bauteil
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Einrichtung
- 5
- Chip
- 6
- Sensor
- 7
- Bereich
- 8
- Auswerteelektronik
- 9
- Microcontroller
- 10
- Welle
- 11
- Gehäuse
- 12
- Lager
- 13
- Lagerdeckel
