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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors, eine Wandlervorrichtung für einen Drehmomentsensor, einen Drehmomentsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drehmomentsensors.
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Das Messen eines an einer Rotationskomponente wirkenden Drehmoments ist in vielen technischen Bereichen, beispielsweise im Bereich von Motoren, von Kraftfahrzeugmotoren, der Schifffahrt, von elektrischen Geräten usw. relevant. Es sind Verfahren zum Messen eines Drehmoments bekannt, bei denen zumindest ein Parameter quantifiziert wird, um das Drehmoment auf Basis einer Korrelation zwischen dem Drehmoment und dem Parameter zu ermitteln. Ein Betrag des Drehmoments ist gegeben durch τ= F*r*sinθ, wobei τ das Drehmoment, F eine wirkende Kraft, r ein Betrag eines Ortsvektors von einem Bezugspunkt des Drehmoments zu einem Angriffspunkt der Kraft F und 0 ein Winkel zwischen der Kraft F und dem Ortsvektor r sind. Ferner gilt für eine von der Rotationskomponente übertragene Leistung P = τ * ω. Hierbei ist ω eine Winkelgeschwindigkeit der Rotationskomponente mit ω = 2πn, wobei n eine Drehzahl ist, sodass für das Drehmoment τ = P/2πn gilt.
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Praktisch ergeben sich beim Ermitteln eines Drehmoments anhand der Leistung die Schwierigkeiten, dass das Drehmoment beispielsweise durch einen Leistungsverlust durch Reibung oder durch einen Fehler in einem Design der Rotationskomponente überschätzt werden kann. Außerdem kann es sein, dass ein Drehmoment wirkt, obwohl sich die Rotationskomponente nicht in Rotation befindet.
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Aus dem Stand der Technik sind magnetostatische Drehmomentsensoren bekannt, bei denen eine Änderung einer magnetischen Permeabilität eines ferromagnetischen Materials des Drehmomentsensors ausgenutzt wird. Andere bekannten Drehmomentsensoren basieren beispielsweise auf elektrischen, optischen, piezoelektrischen und induktiven Effekten.
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Für eine Drehmomentmessung in Elektrowerkzeugen oder manuellen Werkzeugen bzw. Handwerkzeugen oder Adaptern bzw. Aufsätzen für solche Werkzeuge sind beispielsweise Drehmomentschlüssel mit einem Anzeigedisplay und digitale Drehmomentmesser bekannt. Häufig werden Drehmomentsensoren verwendet, die auf Verspannungen in der Rotationskomponente reagieren. Dies ist möglicherweise auf die einfache Erfassung von Daten in Form von Strom-, Spannungs- und Widerstandswerten und die Umwandlung in Drehmomentwerte über eine einfache Korrelation zurückzuführen. Die Verwendung anderer Parameter ist durch die Schwierigkeit begrenzt, einen zuverlässigen Datenstrom und eine gute Beziehung zwischen den gemessenen Signalen und den endgültigen Drehmomentwerten zu erhalten. Dies gilt insbesondere, wenn ein Drehmomentsensor beispielsweise auf einem magnetoelastischen Effekt (Magnetostriktion) beruht.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Drehmomentmessung bekannt, bei denen magnetoelastische Effekte ausgenutzt werden. Beim sogenannten Villari-Effekt (inverse Magnetostriktion) führt die angelegte Drehmomentbelastung zu einer Änderung der Magnetisierung. Bei einer permeabilitätsbasierten Variante (PB Typ I) wird die Tatsache ausgenutzt, dass infolge eines wirkenden Drehmoments erzeugte Verspannungen in einem magnetischen Material eine magnetische Anisotropie bewirken, die zu einer Änderung einer Permeabilität führt, wodurch eine Durchlässigkeit eines magnetischen Flusses beeinflusst wird. Hierbei sind eine Magnetisierungsquelle und eine Sensorspule erforderlich. Bei der PB Typ I Variante ist die relevante Permeabilitätsänderung auf eine Oberfläche der Rotationskomponente beschränkt. Die zur Realisierung dieser Änderung erforderliche Magnetisierung kann jedoch tendenziell auch durch die Oberfläche in Richtung des Inneren der Rotationskomponente dringen. Infolgedessen ist es möglich, dass die Durchlässigkeit eher von dem stark magnetisierten Inneren dominiert wird, was zu einer Abschwächung der Änderung eines durch die Sensorspule erfassten Magnetfelds führt.
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Bei einer weiteren Variante („Polarized Band“, PB Typ II) wird mittels einer spannungsinduzierten magnetische Anisotropie eine remanente Magnetisierung bewirkt, um einen messbaren magnetischen Fluss zu erzeugen. Hierbei hängt die bewirkte magnetische Anisotropie stark von einer Wirksamkeit einer Übertragung der Drehmomentspannung auf ein sogenanntes „polarisiertes Band“ der Rotationskomponente ab.
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Die Entwicklung auf diesem Gebiet (insbesondere für die PB Typ II Variante) wurde durch das fortgeschrittene Verständnis und die Herstellung von amorphen Legierungen, die auch als metallische Gläser bekannt sind, weiter unterstützt. Es wurde ursprünglich angenommen, dass Ferromagnetismus in amorphen Festkörpern aufgrund der fehlenden atomaren Fernordnung nicht existieren könnte. Durch Optimierung einer Elementzusammensetzung in den Legierungen wurde jedoch gezeigt, dass weichmagnetische Eigenschaften erzielt werden können. Da amorphe Legierungen auch in Form eines dünnen Bandes hergestellt werden können, ist es einfacher und wirtschaftlicher, beispielsweise einen Transformatorkern unterschiedlicher Größe und Form herzustellen.
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Die Verwendung von Erregungs- und Messspulen sollte bei einem Drehmomentsensor vermieden werden, da diese in der Nähe von magnetoeleastischen Elementen und einer Verkabelung zu einer externen Stromquelle und zu den Messkreisen angeordnet werden müssen. Dies führt beispielsweise zu Einschränkungen bei der Werkzeugbedienung und der Konstruktion von Sensorkomponenten. Die Verwendung magnetoelastischer Elemente und Spulen sollte an einer Außenfläche der Rotationskomponente erfolgen. Eine Integration dieser Elemente in eine Bohrung oder einen Hohlraum der Rotationskomponente, beispielsweise einer Drehmomentwelle oder einer Spindel, schränkt die Anwendung im praktischen Einsatz insbesondere für Elektrowerkzeuge ein. Eine flexiblere Methode zur Integration eines magnetoelastischen Materials in die Rotationskomponente ist ebenfalls erforderlich, um beispielsweise eine einfache Anpassung an Werkzeuge und Geräte für den Ersatzteilmarkt zu ermöglichen.
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Die Leistung des magnetoelastischen Ansprechverhaltens und die Empfindlichkeit gegenüber dem angelegten Drehmoment müssen verbessert werden, um die Messung eines großen Drehmomentbereichs, einer höheren Auflösung und einer besseren Dynamik zu ermöglichen. Dies würde ferner eine kurzfristige Vorhersage eines erwarteten Drehmoments aus analytischen Modellen, aus statistischen Modellen oder mittels neuronalen Netzen ermöglichen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors anzugeben, eine verbesserte Wandlervorrichtung für einen Drehmomentsensor und einen verbesserten Drehmomentsensor bereitzustellen und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Drehmomentsensors anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors, eine Wandlervorrichtung für einen Drehmomentsensor, einen Drehmomentsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drehmomentsensors mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Drehmomentsensors umfasst folgende Verfahrensschritte. Es wird ein amorphes metallisches Glasband bereitgestellt. Das Glasband wird thermisch behandelt. Das thermisch behandelte Glasband wird magnetisiert. Das magnetisierte Glasband wird an einer Rotationskomponente befestigt.
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Das thermische Behandeln des Glasbandes induziert eine nanokristalline Struktur im zunächst amorphen Glasband. Die nanokristalline Struktur bewirkt vorteilhafterweise einen hohen magnetostriktiven Koeffizienten, wodurch sich die inverse Magnetostriktion effizienter ausnutzen lässt. Vorteilhafterweise ist auch ein Anpassen der Reaktionsfähigkeit des Drehmomentsensors durch Variieren einer Menge des Materials des Glasbandes möglich. Eine Effizienz eines magnetostriktiven Effekts kann beispielsweise durch eine Variation einer Dicke des Glasbandes oder einer Anzahl der Glasbänder, modifiziert werden.
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In einer Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine Abdeckung über einer Oberfläche des Glasbandes angeordnet. Die Abdeckung weist einen zum Detektieren eines Magnetfelds des Glasbandes ausgebildeten Magnetfeldsensor auf.
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In einer Ausführungsform wird das Glasband in einem zusätzlichen Verfahrensschritt über einem Träger angeordnet. Vorteilhafterweise ist das Glasband dadurch mechanisch stabilisiert.
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In einer Ausführungsform erfolgt die thermische Behandlung des Glasbandes bei einer Temperatur zwischen einer Curie-Temperatur und einer Kristallisationstemperatur des Glasbandes. Vorteilhafterweise kann dadurch die nanokristalline Struktur im Glasband besonders zuverlässig erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform wird das Glasband geformt bevor das Glasband magnetisiert wird. Vorteilhafterweise kann das Glasband derart geformt werden, dass es vollständig innerhalb eines Magnetfeldes angeordnet werden kann. Das Glasband kann zweckmäßigerweise derart geformt werden, dass es an der Rotationskomponente befestig werden kann. Beispielsweise kann das Glasband hohlzylindrisch geformt werden, um beispielsweise auf eine Spindel aufgesteckt zu werden.
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In einer Ausführungsform wird die Abdeckung derart angeordnet, dass der Magnetfeldsensor zum Glasband beabstandet ist. Dadurch ist vorteilhafterweise eine kontaktlose Messung eines Drehmoments mittels des Drehmomentsensors möglich.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Verfahren zumindest teilweise in einem Rolle-zu-Rolle Prozesses. Dadurch kann vorteilhafterweise eine große Anzahl von Drehmomentsensoren in kurzer Zeit hergestellt werden.
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Eine Wandlervorrichtung für einen Drehmomentsensor weist eine Rotationskomponente und ein an der Rotationskomponente befestigtes metallisches Glasband auf. Das Glasband weist eine nanokristalline Struktur und eine Magnetisierung auf. Die Wandlervorrichtung kann auch als Transducer bezeichnet werden. Vorteilhafterweise ermöglicht die Wandlervorrichtung eine Erfassung einer Änderung eines Magnetflusses eines durch eine Emission durch das vormagnetisierte Glasband erzeugten Magnetfeldes, ohne eine Erregerspule verwenden zu müssen. Dies ermöglicht effektiv die volle Freiheit, die Wandlervorrichtung an jedem beweglichen/drehmomenttragenden Element ohne Einschränkungen oder Einschränkungen aufgrund von mit Strom versorgten Schaltkreisen, elektrischen Komponenten oder Drähten zu befestigen. Dies ermöglicht eine kostengünstige und einfache Nachrüstung von Werkzeugen sowie die Nachrüstung von Produktlinien.
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Ein Drehmomentsensor weist eine Wandlervorrichtung und eine über der Wandlervorrichtung befestigten Abdeckung mit einem Magnetfeldsensor auf. Der Magnetfeldsensor ist zum Detektieren eines Magnetfelds des Glasbandes ausgebildet. Vorteilhafterweise können die Wandlervorrichtung und der Magnetfeldsensor unabhängig voneinander konzipiert und entwickelt werden. Dadurch können die Wandlervorrichtung als separate Komponente (als Zusatzzubehör) oder als integrierte Komponente in einem größeren Gerät entwickelt werden.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Drehmomentsensors umfasst folgende Verfahrensschritte. Es wird ein an die Wandlervorrichtung anliegendes Drehmoment erzeugt. Es wird ein Magnetfelds des Glasbandes mittels des Magnetfeldsensors gemessen. Ein Drehmoment wird auf Basis einer vorbestimmten Beziehung zwischen Magnetfeld und Drehmoment ermittelt. Bei dem Verfahren wird vorgeschlagen, dass die inverse Magnetostriktion (auch als Villari-Effekt genannt) als Modalität für eine Drehmomentmessung verwendet werden kann.
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Vorteilhafterweise stellt das Verfahren eine Vereinfachung des Mechanismus zum Erfassen von Änderungen des Magnetfelds, die durch Drehmomentbelastung beeinflusst werden, dar. Das Korrelieren von gemessenen Drehmomentdaten als Anzeige für beispielswiese einen Motorbetrieb und einen Zustand eines Werkzeugs ermöglicht eine deutlich genauere Steuerung der entsprechenden Drehmomentanwendung. Eine Kurzzeitvorhersage ermöglicht es vorteilhafterweise, Reaktionszeitverzögerungen von elektrischen und mechanischen Komponenten in einem System zu kompensieren.
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Ein weiterer Vorteil des Drehmomentsensors bzw. des Verfahrens zum Betreiben des Drehmomentsensors besteht darin, dass drahtlose Drehmomentsensorlösungen realisiert werden können. Hierzu gehören beispielsweise IoT-Funktionen, Echtzeit-Drehmomentüberwachungen, eine Steuerung des aufgebrachten Drehmoments und eine einfache Anpassung an im Betrieb befindliche Elektrowerkzeuge. Vorteilhafterweise kann auch ein großer Drehmomentbereich mit hoher Genauigkeit abgebildet werden. Dies kann z.B. durch verschiedene Nachrüstwandlervorrichtungen, die an vorhandene Werkzeuge angeschlossen werden können, realisiert werden.
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Der Drehmomentsensor kann aufgrund der einfachen Anpassung und Anwendung auf einfache Weise in vielen Anwendungsfällen und Domänen verwendet werden. Hierzu gehören beispielsweise alle Elektrowerkzeuge mit rotierenden, oszillierenden oder schlagenden Teilen und Befestigungsanwendungen, bei denen häufig das Drehmoment für eine Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Befestigung entscheidend ist. Eine vergrößerte Produktionslinie könnte kostengünstige Befestigungselemente herstellen, die jeweils mit einer hier beschriebenen magnetischen Wandlervorrichtung ausgestattet sind. Dies umfasst insbesondere die Befestigung im Hochbau, im Automobilbereich (Räder, Antriebe, Fahrgestelle und andere Elemente), Montage und Herstellung. Andere mögliche Anwendungsbeispiele sind Tür- und Fensterscharniere und Gewichtselemente.
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Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden klarer und verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 bis 4 Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Drehmomentsensors; und
- 5 und 6 Diagramme zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben des Drehmomentsensors.
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1 zeigt schematisch Verfahrensschritte 1, 2 eines Verfahrens zum Herstellen eines Drehmomentsensors.
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In einem ersten Verfahrensschritt 1 wird ein amorphes und metallisches Glasband 10 bereitgestellt. Das Glasband kann beispielsweise Fe78B13Si9 oder ein anderes amorphes metallisches Material aufweisen. Das Bereitstellen des amorphen metallischen Glasbandes 1 kann wie in 1 gezeigt ein Zuschneiden des Glasbandes 1 in gewünschte Maße umfassen, das zunächst beispielsweise aufgerollt vorliegen kann.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 2 wird das amorphe und metallische Glasband 10 thermisch behandelt. Die thermische Behandlung erfolgt dabei derart, dass das zunächst amorph vorliegende Glasband 10 im Anschluss an die thermische Behandlung eine nanokristalline Struktur aufweist. Unter einer nanokristallinen Struktur soll eine polykristalline Struktur bezeichnet werden, deren mittlere Korngröße im Submikrometerbereich liegt. Die durch die thermische Behandlung induzierte nanokristalline Struktur bietet den Vorteil, dass das Glasband 10 einen hohen magnetostriktiven Koeffizienten aufweist, wodurch die inverse Magnetostriktion effizienter ausgenutzt werden kann.
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Zwei wichtige Temperaturen, die immer mit metallischen Gläsern verbunden sind, sind die Curie-Temperatur (Tc) und die Kristallisationstemperatur (Tx). Basierend auf den Informationen dieser Temperaturen kann ein Wärmebehandlungsschema entworfen werden, um eine nanokristalline Kristallstruktur zu induzieren. Beispielsweise kann die thermische Behandlung des Glasbandes 1 bei einer Temperatur zwischen der Curie-Temperatur und der Kristallisationstemperatur des Glasbandes 1 erfolgen. Für Fe78B13Si9 betragen die Werte für Tc und Tx 410 ° C bzw. 535 ° C. Amorphe Glasbänder oder metallische Glasmaterialien weisen aufgrund einer fehlenden Kristallstruktur und dadurch auch fehlenden magnetischen Dipolen lediglich einen weichen Ferromagnetismus auf. Eine allgemeine Beobachtung ist, dass ein getempertes amorphes Glasband 10 unterhalb von Tc spröde ist und selbst unter einer schwachen Zugspannung leicht bricht, was auch auf einen Verlust einer Magnetoelastizität des Glasbandes 1 hinweist.
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Um eine gute Bildung von nanokristallinem Material zu erreichen, wird empfohlen, das amorphe Glasband 10 im Bereich der Kristallisationstemperatur Tx thermisch zu behandeln. Beispielsweise kann die thermische Behandlung zwei Stunden lang bei 525 °C erfolgen. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die thermische Behandlung in einer inerten Umgebung, beispielsweise in einer trockenen Stickstoffumgebung erfolgt. Die Kontrolle einer Glühumgebung zur Verringerung von Oxidationsmitteln (z. B. Sauerstoff, Feuchtigkeit) ist notwendig, um eine Oxidation des Glasbandes 1 bei hoher Temperatur zu verhindern.
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Nach der thermischen Behandlung ist das Glasband 10 spröde. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, das Glasband 10 bereits vor der thermischen Behandlung zuzuschneiden.
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In einer in 1 nicht dargestellten Ausführungsform kann das Glasband 10 vor der thermischen Behandlung über einem Träger angeordnet werden. Dadurch wird das Glasband 10 stabilisiert. Ein Material des Trägers sollte derart gewählt werden, dass es gegenüber der thermischen Behandlung robust ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das getemperte und oftmals brüchige Glasband 10 auf zumindest eine Klebeschicht transferiert werden, die das Glasband 10 stabilisiert.
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In einem dritten Verfahrensschritt 3 wird das thermisch behandelte Glasband magnetisiert. 2 zeigt einen beispielhaften Ablauf des dritten Verfahrensschritts 3.
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Zum Magnetisieren des Glasbandes 10 kann ein starker Permanentmagnet oder ein Elektromagnet 11 verwendet werden. 2 zeigt beispielhaft, dass ein Dipol-Elektromagnet-System 11 verwendet wird, das mit Gleichstrom betrieben wird, um dem getemperten Glasband 10 eine permanente Magnetisierung zu verleihen. Es kann beispielsweise ein externes Magnetfeld 12 mit einer Stärke von bis zu 0,3 T zum Magnetisieren des Glasbandes 10 werden. Ein Abstand zwischen zwei Polen 13 des Elektromagneten 11 kann beispielsweise 25 bis 30 mm betragen. Das Verfahren ist jedoch nicht auf das angegebene Magnetfeld 12 oder den angegebenen Abstand beschränkt.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des Drehmomentsensors bei der das Glasband 10 geformt wurde, bevor es magnetisiert wird. Lediglich beispielhaft wurde das Glasband 10 zu einem Hohlzylinder geformt. Dies bietet den Vorteil, dass das Glasband 10 möglichst vollständig innerhalb eines Bereichs zwischen den Polen 13 angeordnet ist, um möglichst vollständig magnetisiert werden zu können.
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Durch Platzieren des Glasbandes 10 zwischen den Polen 13 in verschiedenen Winkelpositionen relativ zum Elektromagneten 11, kann das Glasband 10 entlang verschiedener Richtungen magnetisiert werden. Beispielhaft zeigt 2 drei Magnetisierungsschemata, nämlich ein vertikales, ein horizontales und ein gewinkeltes Magnetisieren. Als horizontales Magnetisieren soll eine Konfiguration bezeichnet werden, bei der eine Lange Achse des Glasbandes 10 parallel zu Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 12 verlaufend angeordnet ist. Als vertikales Magnetisieren soll eine Konfiguration bezeichnet werden, bei der die Lange Achse des Glasbandes 10 senkrecht zu den Magnetfeldlinien des Magnetfeldes 12 verlaufend angeordnet ist.
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Im Fall der horizontalen Magnetisierung kann es beispielsweise sein, dass sich ein infolge der Magnetisierung des Glasbandes 10 erzeugtes Magnetfeld gleichmäßig entlang des Glasbandes 10 mit einer Stärke von beispielsweise mehr als 10G verteilt. Im Fall der vertikalen Magnetisierung kann es sein, dass die Magnetisierung lokal variiert. Infolgedessen können entlang der langen Achse des Glasbandes 10 beispielsweise Bereiche mit Magnetfeldstärken von über 10G und Bereiche mit Magnetfeldstärken im Bereich von 0G erzeugt werden. Die gewinkelte Magnetisierung stellt eine Kombination der horizontalen und der vertikalen Magnetisierung dar. Eine Ausrichtung der Magnetisierung innerhalb des Glasbandes 10 kann an eine endgültige Anwendung des Glasbandes angepasst werden, um eine optimale Leistung zu erzielen, wobei Anforderungen einer Anwendung berücksichtigt werden können. Ebenso können andere Methoden verwendet werden, um die optimale Magnetisierung in das Band zu induzieren.
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3 zeigt einen vierten Verfahrensschritt 4 des Verfahrens, im Rahmen dessen das magnetisierte Glasband 10 an einer Rotationskomponente 14 befestigt wird. Das magnetisierte Glasband 10 und die Rotationskomponente 14 bilden eine Wandlervorrichtung 15 (engl.: transducer) des Drehmomentsensors. Das Glasband 10 wird im vierten Verfahrensschritt 4 auf die Rotationskomponente 14 aufgesteckt. Die Rotationskomponente 14 kann beispielsweise als Welle, beispielsweise als Welle eines Motors, als eine Spindel oder beispielsweise als Bestandteil eines elektrischen Werkzeugs oder alternativ als Aufsatz für ein elektrisches Werkzeug, ausgebildet sein. Eine Größe des Glasbandes 10 sollte ungefähr an eine Größe der Rotationskomponente 14 angepasst werden. Beispielsweise sollte ein Innendurchmesser des Glasbandes 10 etwa so groß sein wie ein Außendurchmesser der Rotationskomponente 14.
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Zum Befestigen des Glasbandes 10 kann ein Kleber verwendet werden, was in 3 nicht gezeigt ist. Der Kleber kann beispielsweise Cyanoacrylat oder ein Epoxid aufweisen. Es kann sich jedoch um einen beliebigen Kleber handeln. Der Kleber kann direkt auf das Glasband 10 aufgetragen werden, wobei das Glasband 10 zuvor gereinigt werden kann. Dann wird das Glasband 10 mit dem aufgetragenen Kleber an der eventuell ebenfalls zuvor gereinigten Rotationskomponente 14 befestigt, um die Wandlervorrichtung 15 zu bilden. Die Verwendung eines geeigneten Klebers hat den Vorteil einer leicht durchführbaren Befestigung und zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, hohe Haltbarkeit, und eine „Drehmomenttreue“ über den gesamten Bereich des Klebers hinweg aus, wodurch magnetostriktive Effekte auf homogene Art und Weise im Glasband 10 bewirkt werden können. Eine Dicke und eine Verteilung des Klebers zwischen dem Glasband 10 und der Rotationskomponente 14 sind entscheidend für eine konsistente Messung eines an der Rotationskomponente 14 wirkenden Drehmoments, wenn eine Kraft von der Rotationskomponente 14 auf das Glasband 10 durch den Kleber übertragen werden soll.
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Im Rahmen eines in 4 dargestellten fünften Verfahrensschritts 5 wird eine Abdeckung 16 über einer Oberfläche 17 des Glasbandes 10 angeordnet. Die Abdeckung 16 weist einen zum Detektieren eines Magnetfelds des Glasbandes 10 ausgebildeten Magnetfeldsensor 18 auf. Dadurch ist der Drehmomentsensor 19 fertiggestellt.. Als Abdeckung 16 kann beispielsweise eine Leiterplatte mit dem integrierten Magnetfeldsensor 18 verwendet werden. Zweckmäßigerweise kann die die Abdeckung 16 derart angeordnet werden, dass der Magnetfeldsensor 18 zum Glasband 10 beabstandet ist.
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Der Magnetfeldsensor 18 kann auf verschiedenen Phänomenen beruhen, z. B. dem Hall-Effekt oder einem Magnetowiderstand, beispielsweise einem anisotropen Magnetowiderstand (engl.: anisotropic magnetoresistance, AMR), einem Riesenmagnetowiderstand (engl.: giant magnetoresistance, GMR) oder einem Tunnelwiderstand (engl.: tunnel magnetoresistance, TMR). GMR-Sensoren bieten den Vorteil, dass sie ohne mechanischen Kontakt zum Glasband 10 angeordnet werden können. Zu den für einen Betrieb des Drehmomentsensors erforderlichen Komponenten gehören auch eine Batterie oder eine andere (vorübergehende) Stromquelle sowie ein Mikrocontroller zum Adressieren und Auslesen des Magnetfeldsensors 18 und der Leiterplatte. Darüber hinaus kann die Abdeckung 16 beispielsweise auch einen Positionssensor 20, einen Beschleunigungssensor 21 oder einen anderen Sensor umfassen. Alle Sensoren können dabei auf derselben Leiterplatte integriert sein, um beispielsweise weitere Informationen zur Verwendung eines Elektrowerkzeugs bereitzustellen. Ferner können auch Kommunikationsmittel 22 integriert werden, um gemessenen Daten anzuzeigen oder zu übertragen. In 4 ist beispielhaft gezeigt, dass der Drehmomentsensor 19 auf einen Aufsatz 23 für ein Elektrowerkzeug aufgesteckt wird, was jedoch nciht zwingend erforderlich ist. Der fünfte Verfahrensschritt 5 ist lediglich optional.
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5 und 6 zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben des Drehmomentsensors 19 gemäß 4.
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Zunächst wird im Rahmen des Verfahrens ein an die Wandlervorrichtung 15 anliegendes Drehmoment generiert. Dies erfolgt indem die Rotationskomponente 14 in eine Rotationsbewegung versetzt wird, beispielsweise durch einen Betrieb eines Elektrowerkzeugs. Die Rotation der Rotationskomponente 14 führt zu einer mechanischen Belastung des Glasbandes 10. Dies führt zu einer Änderung eines vom Glasband 10 emittierten Magnetfelds aufgrund des umgekehrten Magnetostriktionseffekts.
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Mittels des Magnetfeldsensors 18 wird dann das Magnetfeld des Glasbandes 10 gemessen. 5 zeigt eine gemessene Magnetfeldstärke 24 in Oe, die gegen eine Zeitdauer aufgetragen wurde. Das Drehmoment wurde dann schrittweise erhöht. 5 zeigt beispielhaft fünf beispielhaft gewählte Drehmomente 25 in Nm, die beispielsweise beim Anziehen einer Mutter mittels eines Elektrowerkzeugs wirken können. Zu erkennen ist, dass die Magnetfeldstärke 24 mit einer Drehmomentänderung selbst eine Änderung erfährt. Tendenziell sinkt die Magnetfeldstärke 24 bei zunehmendem Drehmoment 25, wobei die Änderung materialabhängig und materialvolumenabhängig ist. Ein größeres Volumen des Glasbandes 10 sorgt beispielsweise für eine größere Reduzierung der Magnetfeldstärke 24.
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In einem weiteren Schritt wird ein Drehmoment auf Basis einer vorbestimmten Beziehung zwischen Magnetfeldstärke 24 und Drehmoment 25 ermittelt. 6 zeigt eine Änderung 26 der Magnetfeldstärke 24 in Abhängigkeit von dem angelegten Drehmoment 25 gemäß dem Verlauf der Magnetfeldstärke 24 der 5. Eine lineare Beziehung 27 zwischen Magnetfeldstärke 24 und Drehmoment 25 ermöglicht eine Schätzung des angelegten Drehmoments.
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Das Glasband 10 kann vorteilhafterweise derart magnetisiert sein, dass es Stör- und Streufelder unterdrückt. Außerdem ist der Drehmomentsensor 19 für eine Magnetisierung parallel zu einer GMR-Detektionsfläche am sensitivsten, wodurch der Einfluss von Störfeldern auf eine Drehmomentmessung reduziert werden kann, insbesondere, wenn die das Glasband 10 entsprechend magnetisiert ist. Dadurch kann ein Signal-Rausch Verhältnis des Drehmomentsensors 19 verbessert werden. Dadurch können andere Maßnahmen zur Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses entfallen. Ferner können dynamische Änderungen in einer externen Magnetfeldkonfiguration gemessen und berücksichtigt werden, indem zusätzliche Magnetfeldsensoren 18 außerhalb eines Einflussbereichs der Wandlervorrichtung 15 einbezogen werden.
