DE19753554A1 - Aktiver Magnetfeld-Kraftsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aktiven Magnet­ feld-Kraftsensor mit den im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Für viele Anwendungen wird ein kleiner und kompakt­ bauender Kraftsensor benötigt. Einige wichtige elek­ tronische Systeme im Kraftfahrzeug benötigen Informa­ tionen solcher Kraftsensoren, beispielsweise elektro­ nische Bremskraftregelungen. Auch in der Fertigungs- und Qualitätsmeßtechnik sind zunehmend exaktmessende und statisch arbeitende Kraftsensoren gefragt.

Bekannte kleinbauende Kraftsensoren basieren meist auf dem piezoelektrischen Wandlerprinzip und sind daher nicht statisch, sondern nur dynamisch zu betreiben. Das heißt, sie besitzen keine Nullpunkt­ einstellung und können davon ausgehend keine stati­ schen Kräfte messen, sondern sie sind lediglich in der Lage, Kraftänderungen zu erfassen.

Statische Kraftsensoren sind oft als Biegefedern aus­ geführt, die mit mehreren Dehnmeßstreifen versehen sind. Damit sind zwar sehr genaue statische Kraftmes­ sungen möglich, da durch die Anbringung der Dehnmeß­ streifen beispielsweise in einer Brückenschaltung ein sehr genauer Nullpunktabgleich möglich ist. Nachtei­ lig an diesen Biegefedern ist jedoch der Bauaufwand, der zudem nicht für eine Miniaturisierung geeignet ist und die hohen Kosten. Nachteilig bei diesen meßort-kontaktbehafteten Systemen ist ebenfalls die bei rotierenden oder bewegten Systemen notwendige Übertragungsstrecke.

Bekannt sind weiterhin magnetoelastische Kraftsenso­ ren, die entweder auf dem Kreuzduktor- oder dem Tor­ duktor-Prinzip basieren. Sensoren nach dem Kreuzduk­ tor-Prinzip sind besonders für den Einsatz bei hohen Temperaturen ohne verfügbare Elektronik geeignet, bei dem zudem nur wenig Bauraum verfügbar ist. Sensoren, die nach dem Torduktor-Prinzip arbeiten, erfassen berührungslos eine Magnetfeldverteilung über zwei um 90° zueinander gedrehte mit Spulen bewickelte U-Kerne und messen damit eine Krafteinwirkung. Nachteilig bei den Kreuzduktor-Kraftsensoren ist die nur sehr geringe gelieferte Meßspannung, die zudem meist mit einer starken Nullpunktabweichung, einem sogenannten Offset, beaufschlagt ist und damit schwierig aus­ wertbar ist. Zudem können bei bewegten oder rotieren­ den Teilen diese Sensoren nur mit sehr großem zusätz­ lichen Aufwand eingesetzt werden. Sensoren, die nach dem Torduktor-Prinzip arbeiten, erlauben zwar Kraft­ messungen an rotierenden Teilen. Nachteilig ist hier jedoch die starke Abstandsempfindlichkeit der Mes­ sung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompaktbauenden aktiven Kraftsensor zu schaffen, der exakte statische Kraftmessungen, auch bei bewegten oder rotierenden Meßstellen, ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Patentan­ spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß in einfacher Weise eine statische Kraftmessung auch mit sehr kleinbauendem Kraftsensor ermöglicht wird. Der nach dem aktiven magnetoelastischen Prinzip arbeitende Kraftsensor weist einen magnetoelastischen Kern auf, der eine zirkuläre Remanenzfeldstärke besitzt. Die Ausrichtung der erfolgten magnetischen Polarisierung, die vorzugsweise durch einen an die Stirnseiten des Sensorkernes angelegten axial gerich­ teten Stromimpuls erzeugt wird, ändert sich aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung. Eine solche Meßanord­ nung weist den Vorteil eines sehr exakten Nullpunktes und einer guten Nullpunktstabilität auf und ist daher für hohe Meßempfindlichkeiten ausgelegt. Zudem ist ein solcher Magnetfeld-Kraftsensor sehr gut miniatu­ risierbar, wodurch sehr zahlreiche Einsatzmöglichkei­ ten eröffnet werden.

Die an den Stirnseiten des Sensorkernes austretende Magnetfeldkomponente, die aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung entsteht, kann direkt von den Stirn­ seiten abgegriffen und gemessen werden. Um den äuße­ ren magnetischen Rückschluß zu verbessern und von störenden weichmagnetischen Einflüssen der Umgebung abzuschirmen, weist der Sensorkern vorzugsweise ein U-förmiges Rückschlußblech beziehungsweise Rückschluß­ joch auf, das die beiden Stirnseiten verbindet. Eine solche Anordnung weist den Vorteil auf, den Magnet­ feld-Kraftsensor robuster gegen störende äußere Ein­ flüsse zu machen. Vorteilhaft ist, wenn das U-förmige Rückschlußjoch einen Spalt, vorzugsweise in der Mitte seines Bogens aufweist. In diesem Luftspalt kann ein Sensor zur Messung der axialen Feldkomponente und damit der anliegenden Kräfte eingebracht werden, der eine kraftproportionale Spannung liefert. Durch einen solchen berührungslosen Abgriff des Magnetfeldes kann der Spannungsgeber gut mechanisch und thermisch vom Kraftsensor entkoppelt werden.

Da dieses Rückschlußjoch jedoch nicht unbedingt fest mit dem Sensorkern verbunden sein muß, ist mit einem leicht modifizierten Aufbau eine einfache Kraftmes­ sung an rotierenden Teilen möglich. Vorzugsweise sind die Sensoren als anisotrope magnetoresistive (AMR-)­ Sensoren oder als Hall-Sensoren ausgeführt. Diese Sensoren können eine sehr genaue feldstärkenpropor­ tionale Spannung am Ausgang liefern, die vorzugsweise von einer Auswerteelektronik weiterverarbeitet wird. Ebenso möglich und vorteilhaft kann eine solche Aus­ werteelektronik mit dem Magnetfeld-Kraftsensor in eine Baueinheit integriert sein, wodurch eine kompak­ te komplett verschaltete Baueinheit entsteht.

Von Vorteil ist weiterhin eine derartige Auslegung des Sensors, daß dieser eine der Kraftrichtung ent­ sprechende vorzeichenrichtige Spannung liefern kann und damit anzeigt, ob die am Sensorkern anliegenden Kräfte Zug- oder Druckkräfte sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des Magnetfeld-Kraft­ sensors mit U-förmigem Rückschlußjoch und Spannungsgeber und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Magnetfeld-Kraft­ sensor aus Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnet­ feld-Kraftsensor in einer seitlichen Schnittansicht. Er­ kennbar ist ein länglicher und im wesentlichen zylin­ drischer Sensorkern 1 aus schwachmagnetischem Materi­ al, beispielsweise einem vorzugsweise für aufge­ brachte Druckkräfte geeigneten Sintermetall. An den beiden Stirnseiten 2 und 3 des Sensorkerns 1 sind Vorrichtungen angebracht, die eine Beaufschlagung mit Zug- oder Druckkräften erlauben. In der gezeigten Ausführungsform sind dies zwei Laschen 5 und 6, an denen jeweils eine zu messende Kraft, hier angedeutet durch zwei Doppel-Pfeile 8 und 10, angreifen kann. Aus den Stirnseiten 2, 3 des Kraftsensors 1 treten nach einem angelegten Stromimpuls und nach Einwirkung einer äußeren Kraft 8, 10 auf die Stirnseiten des Sensorkernes ringförmige Magnetfeldlinien aus, hier durch gestrichelte Pfeillinien 12 angedeutet. Um den äußeren magnetischen Rückschluß zu verbessern und um den Einfluß störender weichmagnetischer Umgebung auszuschließen, ist der Sensorkern 1 mit einem U-förmigen Rückschlußjoch 14 versehen. Dessen flache Flanken sind so an den Stirnseiten 2, 3 des Sensor­ kerns 1 angebracht, daß diese die Stirnseiten 2, 3 vollständig überdecken. Vorzugsweise in der Mitte des Bogens des Rückschlußjoches 14 ist dieses aufge­ trennt, so daß dort ein schmaler Luftspalt 16 ent­ steht. In diesem Luftspalt 16 ist ein Sensor 18 ein­ gefügt, der eine zu den am Sensorkern 1 anliegenden Kräften 8, 10 proportionale Spannung liefert. In der Fig. 1 sind die von dem Sensor 18 zu einer hier nicht dargestellten Auswerteelektronik hinführenden elektrischen Zuleitungen 19 eingezeichnet. In der Mitte des Sensorkernes 1 sind zusätzlich zwei Pfeile eingezeichnet, die in einem spitzen Winkel α zueinan­ der stehen. Dieser Winkel α charakterisiert die Ver­ schiebung der zirkularen Magnetfeldkomponente auf­ grund äußerer Krafteinwirkung auf den Sensorkern 1. Je nach Größe der auf die Stirnseiten 2, 3 einwirken­ der Kräfte 8, 10 verschieben sich die Magnetfeld­ linien 12 mehr oder weniger stark und ändert sich entsprechend der Winkel α.

Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Magnet­ feld-Kraftsensor aus Fig. 1. Erkennbar sind hier wiederum die obere Stirnseite 3 des Sensorkerns 1 sowie der obere Bogen des Rückschlußjoches 14. Erkennbar ist weiterhin der über den Luftspalt 16 des Rückschluß­ joches 14 hinausragende Sensor 18 mit seinen elek­ trischen Zuleitungen 19. Eingezeichnet ist hier zudem eine gestrichelte Pfeillinie, die das Ringfeld 20 mit einer zirkulären Remanenzfeldstärke im Sensorkern 1 andeutet, welches nach einem Stromimpuls durch die Stirnseiten 2, 3 des Sensorkerns 1 entsteht.

Claims (11)

1. Kraftsensor mit einem mit einer Meßkraft beauf­ schlagbaren magnetoelastischen Meßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement ein eine Remanenz­ feldstärke aufweisender magnetoelastischer Sensorkern (1) ist, wobei der Sensorkern (1) zirkular magnetisch polarisiert ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zirkulare Polarisierung des magnetoela­ stischen Sensorkernes (1) durch einen an Stirnseiten (2, 3) des Sensorkernes (1) anlegbaren Stromimpuls erfolgt.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensorkern (1) zu dessen zirkularer Polarisierung im Randbereich eines momogenen Magnet­ feldes rotiert.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von den Stirnseiten (2, 3) des Sensorkernes (1) ein U-förmi­ ges Rückschlußjoch (14) zur Verbesserung eines äuße­ ren magnetischen Rückschlusses angebracht ist.

5. Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das U-förmige Rückschlußjoch (14), vorzugs­ weise in der Mitte seines Bogens, aufgetrennt ist und einen schmalen Luftspalt (16) aufweist.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Luftspalt (16) im Bogen des U-förmigen Rückschlußjoches (14) einen Sensor (18) aufnimmt, der eine zur auf den Sensorkern (1) aufgebrachten äußeren Kraft (8, 10) abhängige Spannung liefert.

7. Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der die Spannung liefernde Sensor (18) ein anisotroper magnetoresistiver Sensor (AMR-Sensor) oder ein Hall-Sensor ist.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensorkern (1) zur Messung von Zug- wie von Druckkräften (8, 10) geeignet ist und der Sensor (18) eine vorzeichenrichtige Spannung liefert, je nachdem, ob an dem Sensorkern (1) eine Zugkraft oder eine Druckkraft anliegt.

9. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Magnet­ feld-Kraftsensor mit einer Auswerteelektronik in einem Bauelement integriert ist.

10. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (18) vom Sensorkern (1) thermisch entkoppelt ist.

11. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkern (1) ein zirkular polarisierter Permanentmagnet ist.