DE60035777T2

DE60035777T2 - KREISFÖRMIG MAGNETISIERTER SCHEIBENFöRMIGER DREHMOMENTWANDLER UND VERFAHREN ZUR MESSUNG DES DREHMOMENTES MIT DEM WANDLER

Info

Publication number: DE60035777T2
Application number: DE60035777T
Authority: DE
Inventors: Chris Hamilton JONES
Original assignee: Magna Lastic Devices Inc
Current assignee: Magna Lastic Devices Inc
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: JP3611523B2; EP1181515A1; ATE368845T1; JP2002542478A; DE1181515T1; DE60035777D1; EP1181515B1; CA2381077A1; AU4188400A; WO2000063663A1; EP1181515A4; CA2381077C; US6513395B1

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/129,613 , die am 16. April 1999 eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Drehmomentsensoren und insbesondere kontaktlose magnetoelastische Drehmomentsensoren zum Bereitstellen eines Maßes für das Drehmoment, das radial in einem scheibenförmigen Teil übertragen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Steuerung von Systemen mit drehenden Antriebswellen sind Drehmoment und Geschwindigkeit die grundlegenden Parameter, die von Bedeutung sind. Die Erfassung und Messung eines Drehmoments auf genaue, zuverlässige und kostengünstige Weise ist somit seit vielen Jahrzehnten das primäre Ziel der Fachleute.
Früher wurde die Drehmomentmessung unter Verwendung von direkt an der Welle befestigten kontaktierenden Sensoren durchgeführt. Zu diesen Sensoren gehört eine Drehmomenterfassungseinrichtung vom Typ Dehnungsmessstreifen, bei dem ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen direkt an der äußeren Umfangsfläche der Welle befestigt ist/sind und eine durch Beanspruchung verursachte Änderung des Widerstands von einer Brückenschaltung oder anderen wohl bekannten Mitteln gemessen wird. Kontaktsensoren sind jedoch aufgrund des direkten Kontakts mit der Drehwelle relativ unstabil und begrenzt zuverlässig. Sie sind außerdem sehr teuer und somit bei vielen Anwendungen, wie etwa bei Fahrzeuglenksystemen, für die Drehmomentsensoren nun gesucht werden, hinsichtlich einer wettbewerbsfähigen Verwendung gewerblich nicht durchführbar.
Danach wurden kontaktlose Drehmomentsensoren der magnetostriktiven Art zur Verwendung mit Drehwellen entwickelt. Das US-Patent 4,896,544 an Garshelis offenbart beispielsweise einen Sensor, der ein ein Drehmoment übertragendes Element mit einer in einer geeigneten Weise ferromagnetischen und magnetostriktiven Fläche aufweist, zwei axial gesonderte Umfangsbänder im Element, die eine zueinander symmetrische, durch spiralförmig gerichtete Eigenspannung induzierte magnetische Anisotropie haben, und eine magnetische Diskriminatorvorrichtung zur Erfassung, ohne Berührung des einem Drehmoment ausgesetzten Elements, von Unterschieden bei der Reaktion der beiden Bänder auf gleiche, axial magnetisierende Kräfte. Es ist meistens üblich, die Magnetisierung und Erfassung durch das Vorsehen von zwei Erregerspulen oder Magnetspulen zu realisieren, die auf den Bändern liegen und diese umgeben, wobei die Spulen in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom angetrieben werden. Das Drehmoment wird unter Verwendung von zwei entgegengesetzt angeschlossenen Messspulen zur Messung eines Differenzsignals erfasst, das aus den Flüssen der beiden Bänder resultiert. Leider hat das Vorsehen von genügend Raum für die erforderlichen Erreger- and Messspulen an der Vorrichtung, an der der Sensor verwendet wird, und um diese Vorrichtung herum zu praktischen Problemen bei Anwendungen geführt, in denen Raum sehr gesucht ist. Derartige Sensor stellen sich für die Verwendung bei hinsichtlich der Kosten stark konkurrierenden Vorrichtungen, wie etwa Anwendungen im Automobilbereich, auch als so teuer heraus, dass sie nicht durchführbar sind.
In jüngster Zeit sind Drehmomentaufnehmer entwickelt worden, die auf der Messung des Feldes beruhen, das von dem durch das Drehmoment herbeigeführte Kippen von ursprünglich remanenten Magnetisierungen am Umfang verursacht wird, und die vorzugsweise einen dünnwandigen Ring ("Kragen") verwenden, der als felderzeugendes Element dient. Die US 4,697,460 offenbart einen Drehmomentsensor, um ein Drehmoment elektrisch zu erfassen. Eine Spannungsscheibe ist im Weg der Drehmomentübertragung vorgesehen, und das Drehmoment wird in Form der in der Spannungsscheibe erzeugten Magnetostriktion magnetisch erfasst. Es wird auch z.B. auf die US-Patente 5,351,555 und 5,520,059 an Garshelis verwiesen. Die Zugspannung am "Umfang" des Rings, verbunden mit den Mitteln zu dessen Befestigung an der Welle, die das gemessene Drehmoment überträgt, erzeugt eine vorherrschende, in Umfangsrichtung gerichtete, einachsige Anisotropie. Beim Aufbringen einer Torsionsspannung auf die Welle wird die Magnetisierung neu ausgerichtet und mit zunehmender Torsionsspannung immer spiralförmiger. Die sich aus der Torsinn ergebende spiralförmige Magnetisierung hat sowohl eine Umfangskomponente als auch eine axiale Komponente, wobei die Größe der axialen Komponente vollständig von der Torsinn abhängig ist. Ein oder mehrere Magnetfeldvektorsensoren erfassen die Größe und Polarität des Feldes, das aufgrund des aufgebrachten Drehmoments im Raum um den Aufnehmer herum entsteht, und stellen eine Signalausgabe bereit, die die Größe des Drehmoments angibt. Sofern das höchstzulässige Drehmoment in einem Ringsensor durch ein Gleiten an der Kontaktfläche zwischen Ring und Welle begrenzt wird, wurden Bedenken bezüglich einer Verzerrung vorgebracht, die sich aus dem Gleiten an der Kontaktfläche zwischen Ring und Welle unter Bedingungen einer Drehmomentüberlastung ergibt. Dies, zusammen mit dem Bedarf an vielen Teilen aus unterschiedlichen Materialien, um die nachteiligen Auswirkungen parasitärer Felder zu minimieren, haben die Suche nach alternativen Ausführungen gefördert. Die DE 44 30 503 offenbart einen Drehmomentsensor mit einer Dehnmessstreifenanordnung.
In jüngster Zeit wurden magnetoelastische Drehmomentaufnehmer entwickelt, in denen der aktive, ein Drehmoment erfassender Bereich vielmehr direkt an der Welle selbst ausgebildet ist als an einem separaten ferromagnetischen Element, das dann an der Welle zu befestigen ist. Es wird beispielsweise auf die Internationalen PCT-Veröffentlichungen WO 99/21150 und WO 99/21151 verwiesen. Bei einer Ausführung dieser neu entwickelten Aufnehmer ist der magnetoelastisch aktive Bereich in einer einzigen Umfangsrichtung polarisiert und weist eine ausreichende magnetische Anisotropie auf, um die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Teil zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird. Die Welle, auf die ein Drehmoment ausgeübt wird, besteht vorzugsweise aus einem polykristallinen Material, bei dem mindestens 50 % der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die Richtung der magnetischen Polarisation angeordnet ist, und eine Koerzitivfeldstärke haben, die ausreichend hoch ist, damit das Feld des aufnehmenden Bereichs keine parasitären Magnetfelder in naheliegenden Bereichen der Welle erzeugt, die ausreichend stark sind, um die Nützlichkeit, zu Drehmomenterfassungszwecken, des von dem Magnetfeldsensor gespürten Nettomagnetfelds zu zerstören. Bei besonders bevorzugten Ausführungen derartiger Aufnehmer besteht die Welle aus einem zufällig ausgerichteten polykristallinen Material mit kubischer Symmetrie und mit einer Koerzitivfeldstärke von mehr als 1,2 kA/m (15 Oe), bevorzugt von mehr als 1,6 kA/m (20 Oe) und vorzugsweise von mehr als 2,8 kA/m (35 Oe).
Bei allen kontaktlosen magnetoelastischen Drehmomentaufnehmern, die bis heute entwickelt wurden, wurde das Aufnehmerelement axial entlang einer Welle angeordnet, die zur Übertragung eines Drehmoments zwischen axial getrennten Orten an der Welle verwendet wird. Bei vielen Anwendungen ist der axiale Raum jedoch stark begrenzt und/oder wird das Drehmoment an sich zwischen radial getrennten Orten übertragen, z.B. von einer Welle zu einem Rand oder umgekehrt, wie bei einem Zahnrad, einer Riemenscheibe, einer Kettennuss und dergleichen. Man hat sich früher nicht mit dem Bedarf an eine genaue und kontaktlose Drehmomenterfassung bei derartigen Vorrichtungen beschäftigt.
Die Erfindung ist wie in den Ansprüchen 1 und 24 definiert. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor zeigt.
2 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors mit einem einzigen magnetisierten Bereich, bei der die beispielhafte Positionierung von Magnetfeldvektorsensoren gezeigt ist.
3 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors mit zwei entgegengesetzt polarisierten Bereichen, bei der die beispielhafte Positionierung von Magnetfeldvektorsensoren gezeigt ist.
4 ist eine Aufrissansicht der Scheibe und der Nabe eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors, bei der die beispielhafte Positionierung von Magnetfeldvektorsensoren gezeigt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 ist ein erfindungsgemäßer Drehmomentaufnehmer insgesamt bei 2 gezeigt. Der Drehmomentaufnehmer 2 weist einen axial dünnen, insgesamt scheibenförmigen Sensor mit drei grundlegenden, aber nicht unbedingt getrennten Elementen auf. Der Aufnehmer weist eine mittlere Nabe 6 zur starren Befestigung des scheibenförmigen Sensors an der Welle 8 auf. Die Befestigung kann direkt oder indirekt mit jeglichem bekannten Mittel erfolgen, durch das die Nabe 6 und die Welle 8 als mechanische Einheit wirken können, so dass ein auf die Welle 8 ausgeübtes Drehmoment proportional zur Nabe 6 und umgekehrt geleitet wird. Beispiele für Befestigungsmittel umfassen Stifte, Zähne, Keile, Schweißverbindungen, Klebemittel, Presspassungen oder Dehnpassungen und dergleichen. Die Scheibe 10 des Aufnehmers ist, oder umfasst zumindest, den magnetoelastisch aktiven Bereich und ist durch jegliches geeignete Verfahren an der Nabe 6 befestigt, durch das die Scheibe 10 und die Nabe 6 als mechanische Einheit wirken können, so dass ein auf die Nabe 6 ausgeübtes Drehmoment proportional zur Scheibe 10 und umgekehrt übertragen wird. Beispiele für die Arten der Befestigung sind Vernieten, Schweißen und dergleichen. Ein Rand 12 umgibt den Umfang der Scheibe 10 und ist durch geeignete Mittel an der Umfangskante der Scheibe 10 so befestigt, dass die Scheibe 10 und der Rand 12 als mechanische Einheit wirken, so dass ein auf die Scheibe 10 ausgeübtes Drehmoment proportional zum Rand 12 und umgekehrt übertragen wird. Der Rand 12 weist im Allgemeinen entlang seines Außenumfangs Kraftübertragungselemente 14 für die Übertragung von überwiegend tangentialen Kräften zu einem Antriebselement oder einem angetriebenen Element auf. Zu derartigen Elementen können beispielsweise eine Getriebeverzahnung gehören, für den Eingriff in dazu passende Zähne eines anderen Zahnrads, Nuten für einen Keilriemen, Riffel oder weitere geformte Elemente, damit der Rand von menschlichen Händen gegriffen werden kann (wie z.B. der Rand eines Lenkrads), Mittel zur Befestigung eines Reifens, Stiftverbindungen zu einem Zwischenstück und dergleichen.
Der Rand 12 und die Nabe 6 bestehen vorzugsweise aus nicht ferromagnetischen Materialien oder sind durch nicht ferromagnetische Abstandshalter, wie etwa Ringe mit geringer Permeabiliät, die zwischen der Nabe 6 und der Scheibe 10 und zwischen der Scheibe 10 und dem Rand 12 eingefügt sind, magnetisch von der Scheibe 10 isoliert. Die Scheibe 10 ist oder umfasst das magnetisch aktive Element des Aufnehmers, und somit ist die Auswahl des Materials zur Herstellung der Scheibe 10 sehr wichtig. Das ausgewählte Material muss ferromagnetisch sein, um das Vorhandensein von magnetischen Domänen zu gewährleisten, und muss magnetostriktiv sein, damit die Ausrichtung der Magnetisierung von den mit dem ausgeübten Drehmoment verbundenen Spannungen verändert werden kann. Beispielhafte Materialien sind in den Spalten 12 und 13 des US-Patents Nr. 5,520,059 offenbart. Die Scheibe 10 kann insbesondere aus einem Material mit einer besonders bevorzugten kristallinen Struktur bestehen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben ist.
Die Scheibe 10 ist vorzugsweise dünn, um die Spannung bei einem gegebenen Drehmoment zu maximieren und ein nützliches Signal zu erzeugen. In diesem Zusammenhang kann die Ausführungsgeometrie der Scheibe 10 so gesteuert werden, dass eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung über ihre gesamte radiale Ausdehnung gebildet wird. Wenn möglich ist es wünschenswert die Ausführungsgeometrie zu steuern, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte radiale Ausdehnung der Scheibe zu erzeugen. Die Änderung der Dicke der Scheibe 10 ist das geeignetste Verfahren zur Steuerung der Spannungsverteilung. Da die Spannung entsprechend der nachfolgenden Beziehung Drehmoment/2πRadius2 × Dickevariiert, kann man jedoch feststellen, dass die Steuerung der Dicke lediglich eine begrenzte Auswirkung auf die Spannung hat. Da die Dicke mit dem ins Quadrat erhobenen Radius variiert, kann die Gleichmäßigkeit der Spannung durch Verringerung der Dicke mit zunehmendem Radius verbessert werden. Das Verjüngen der Scheibe 10 von einer maximalen Dicke an der Nabe 6 zu einer minimalen Dicke am Rand 12 kann beispielsweise dazu beitragen, die Scherspannung über ihre gesamte radiale Ausdehnung gleichmäßiger zu machen. Die Spannung, der die Scheibe 10 ausgesetzt ist, entspricht in erster Linie den verwendeten Materialien und wird durch diese begrenzt. Es ist jedoch wünschenswert, dass die Scheibe 10 einer relativ hohen Spannung ausgesetzt wird, um ein nützliches Signal zu erzeugen. Die Spannungen betragen mindestens einige Tausend psi, jedoch vorzugsweise Zehntausende psi.
Die Scheibe 10 weist einen oder mehrere radial getrennte, magnetisch angrenzende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbänder oder Bereiche auf, die allein den aktiven Bereich oder Aufnehmerbereich des Sensors definieren. Dies wird erzielt, indem die Scheibe 10 in einer im Wesentlichen reinen Umfangsrichtung über eine radiale Ausdehnung magnetisiert wird, zumindest in dem Umfang, dass sie bei fehlendem Drehmoment (in einem Ruhezustand) in axialer oder radialer Richtung keine Nettomagnetisierungskomponente aufweist. Die Kreisform der Scheibe 10 verbessert die Stabilität der Polarisation, indem ein vollständiger Kreislauf bereitgestellt wird. Beim Ausüben des Drehmoments dreht sich die Richtung der ursprünglichen Magnetisierung zur positiven Spannungsrichtung, d.h. zur Zugspannung in einem Material mit positiver Magnetostriktion, was zur Bildung von Polen an den radialen Enden des magnetisierten Bereichs führt. In dem Fall, in dem das polarisierte Umfangsband an der Nabe beginnt und sich radial nach außen erstreckt, führt dies zu einem radialen Feld, das sich von der Nabe 6 über die radiale Ausdehnung des ersten magnetisierten Bereichs erstreckt. Wenn die Scheibe 10 mehr als einen magnetisierten Bereich aufweist, werden angrenzende Bereiche entgegengesetzt polarisiert. Folglich erstreckt sich das radiale Feld im angrenzenden Bereich von der radialen Ausdehnung des ersten magnetisierten Bereichs zur radialen Ausdehnung des zweiten magnetisierten Bereichs, und das von dem zweiten magnetisierten Bereich erzeugte Feld verläuft zwangsläufig in eine Richtung, die zu derjenigen des ersten magnetisierten Feldes entgegengesetzt ist. Die radialen Felder können durch Magnetfeldvektorsensormittel, die axial angrenzend an die Scheibe 10 angeordnet sind, außerhalb des Materials der Scheibe 10 erfasst werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben ist.
Der aktive Bereich, und deshalb die Scheibe 10 selbst, muss über eine Anisotropiequelle verfügen, um die Magnetisierung in jedem Bereich zu der (während der Polarisation) hergestellten Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird. Um eine symmetrische Reaktion auf Drehmomente im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu gewährleisten, sollte die Verteilung dieser Anisotropie im Ruhezustand um die Umfangsrichtung herum symmetrisch sein. Um zu gewährleisten, dass die dem Drehmoment zugeordnete magnetoelastische Anisotropie dazu führt, dass alle remanent magnetisierten Abschnitte der Scheibe 10 zusammen zur Entwicklung einer radialen Komponente beitragen, sollte die Anisotropie im Ruhezustand nirgendwo um mehr als 45° von der Umfangsrichtung abweichen. Mit anderen Worten ist die Notwendigkeit der Anisotropie ein Ausdruck der Notwendigkeit, die zirkuläre Remanenz innerhalb des in Umfangsrichtung orientierten 90°-Quadran ten zu begrenzen. Eine zufriedenstellende Leistung kann erzielt werden, wenn mindestens 50 % der lokalen Magnetisierungen innerhalb des 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die Richtung der zirkulären Remanenz angeordnet ist.
Die magnetische Anisotropie kann durch physikalische Behandlung des Materials der Scheibe 10 induziert werden. Beispielhafte Verfahren zur Induzierung der magnetischen Anisotropie sind in den Spalten 13 bis 15 des US-Patents 5,520,059 offenbart. Jegliche physikalische Quelle für magnetische Anisotropie kann allein oder in Kombination verwendet werden, um die gewünschte Verteilung der Ausrichtungen der Domänen im Ruhezustand zu erhalten. Eine Quelle für die Anisotropie ist die Richtungsanordnung, was die Verteilung von Atomarten, Strukturfehlern, Einschlüssen (Ausschlüssen) oder weitere chemische oder strukturelle Elemente, die in eine Richtung (oder in mehr als eine Richtung, aber nicht in allen Richtungen) aufzufinden sind, betrifft. Eine zweite Quelle für die magnetische Anisotropie ist magnetoelastisch, was der Direktionalität der Spannung in Materialien mit einer spontanen magnetostriktiven Belastung, die mit ihrem spontanen magnetischen Moment zusammenhängt, zugeordnet ist. Eine dritte Quelle für magnetische Anisotropie, die hinsichtlich der Kreisform der Scheibe 10 besonders bedeutsam ist, ist die Form des Materials, die mit der Abweichung von M an den Materialgrenzen verknüpft ist. Genau gesagt entsteht an den "Polen" eines magnetisierten Körpers ein demagnetisierendes Feld, das intensiver ist, wenn die Pole im engen Abstand liegen. Eine vierte Quelle für magnetische Anisotropie ist magnetokristallin, was die bevorzugte Ausrichtung der magnetischen Momente ("Spins") der Atome (ferrmagnetischen Atome) in Richtungen betrifft, die den Achsen, die die Kristallstruktur definieren, entsprechen.
Wenn die Hauptquelle für die Anisotropie im Ruhezustand die magnetokristalline Anisotropie ist, die mit den atomaren Anordnungen einer Gitterstruktur mit multiaxialer Symmetrie verbunden ist, z.B. ein zufällig ausgerichtetes polykristallines Material, bei dem jedes Kristallit eine kubische Symmetrie (einschließlich der eines verdrehten Kubus, z.B. eine tetragonale Symmetrie) mit <100> oder <111> leichten Achsen aufweist, erfüllt die Umfangsremanenz im Ruhezustand in mehr als 50 % der Kristallite automatisch diese "45°"-Anforderung. Die magnetokristalline Anisotropie in Eisen und in allen herkömmlichen Stählen hat eine derartige kubische Symmetrie, und sie gehören somit alle (lediglich auf der Basis dieser Anforderung) zu möglich anwendbaren Materialien für erfindungsgemäße Drehmomentaufnehmer. Der Wert der Anisotropie von reinem Eisen wird im Allgemeinen durch herkömmliche Legierungselemente verringert, obwohl Wolfram, und in geringerem Maße Mangan zu deren Erhöhung beitragen. Molybdän, Vanadium und Zinn führen zu relativ geringen Änderungen nach unten, während Chrom beim Herbeiführen einer Verringerung der Anisotropie im Vergleich zu derjenigen von reinem Fe etwas weniger träge ist. Ausreichende Mengen von Ni, Co, Si oder Al können die Anisotropie auf Null (und weniger) reduzieren. Für die Verwendung in Drehmomentaufnehmern bestehen Bedenken hinsichtlich eines zu geringen absoluten Werts der Kristallanisotropie (Kurzform für die magnetokristalline Anisotropie), da dies die "Feder" ist, die die Magnetisierung zu ihrer Umfangsrichtung im Ruhezustand zurückführt, wenn das Drehmoment auf Null reduziert wird. Wenn somit zum Beispiel die Kristallanisotropie (K₁) kleiner ist als λσ_r, wobei σ_r der Wert der Restspannung ist, die dem vorhergehenden Bearbeiten der Welle zugeordnet ist, so ist K₁ nicht mehr die Hauptanisotropie, und bei mehr als 50 % der Remanenz im Ruhezustand ist die Anforderung der 45°-Verteilung nicht mehr erfüllt. Hier erhält man einen ersten flüchtigen Eindruck über die Bedeutung der Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Materialeigenschaften, die einzeln für den Betrieb des Aufnehmers wichtig sind. Während K₁ und λ bezüglich der Zusammensetzung abhängige (immanente) Eigenschaften sind, wirken σ_r und weitere strukturabhängige Eigenschaften (z.B. die Gefüge, die chemische oder strukturelle Anordnung) gemeinsam mit den immanenten Eigenschaften, um den Wert, die Ausrichtung und Symmetrie der Anisotropien im Ruhezustand zu bestimmen. Während außerdem geringe Mengen von Ni oder Si λ wirksam erhöhen, neigen sie auch dazu, K₁ zu reduzieren. Somit muss bei der Auswahl der geeigneten Legierung für die Scheibe 10 der Legierungsgehalt vorsichtig eingeschränkt werden.
Beispiele für die Materialkategorien, die für erfindungsgemäße Drehmomentaufnehmer als geeignet ermittelt wurden, sind nachfolgend gezeigt. Die üblichen Klassen in jeder Kategorie sind angegeben.

1. Martensitische Edelstähle (vorzugsweise luftgehärtet) AISI/SAE-Klassen: 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C
2. Durch Ausscheiden gehärtete Edelstähle (Chrom und Nickel) AISI/SAE-Klassen: 15-5PH, 17-4PH, 17-7PH, PH 13-8Mo
3. Legierungsstähle (vergütet – manchmal aufgekohlt oder nitriert) AISI/SAE-Klasen: 4140, 4320, 4330, 4340, 4820, 9310 Übliche Bezeichnungen: 300M, Aermet 100, 98BV40, 9-4-20, 9-4-30
4. Werkzeugstähle (vorzugsweise vergütete, metallurgisch "saubere" hochlegierte Stähle) AISI-Klassen: Typ A, D, H, L, M O, T, W und kobaltreiche Stähle für Hochgeschwindigkeitswerkzeuge
5. Martensitaushärtungsstähle (viel Nickel, wenig Kohlenstoff) Übliche Bezeichnungen: 18Ni250, C-250, Vascomax T-300, NiMark, Marvac 736
6. Duktile Permanentmagnetmaterialien Übliche Bezeichnungen: Vicalloy, Remendur, Cunife, Cunico, Vacozet
7. Magnetstähle Übliche Bezeichnungen: KS-Stahl, MT-Stahl, 3,6 % Cr, 15 % Co, Wolframstahl
8. Spezielle Legierungen und weitere Materialien Übliche Bezeichnungen: Permendur, Alfer, Alfenol, Kovar, hartgezogener Nickel, hartgezogener Permalloy

Im Betrieb des vorliegenden Drehmomentaufnehmers entstehen aus dem aktiven Bereich Magnetfelder, und diese Magnetfelder dringen nicht nur durch den Raum, in dem sich der Feldsensor oder die Feldsensoren befinden, sondern auch durch den Raum, in dem die Scheibe 10 selbst liegt. Die Magnetisierungsänderungen, die dazu gebracht werden, in nicht aktiven Abschnitten der Scheibe 10 aufzutreten, führen zur Entstehung weiterer Felder, und diese (parasitären) Felder dringen auch durch die Bereiche des Raums, in dem der Feldsensor oder die Feldsensoren liegen. Das ist der Hauptgrund dafür, dass es wünschenswert ist, die Nabe 6 und den Rand 12 aus nicht ferromagnetischen Materialien herzustellen. Um die Übertragungsfunktion des aktiven Bereichs nicht zu verschlechtern, ist es somit wichtig, dass die parasitären Felder im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs sehr klein sind und im Idealfall Null betragen oder dass sie sich, falls sie sehr stark sind, beim Aufbringen eines Drehmoments linear und anhysteretisch (oder gar nicht) verändern, und dass sie zeitlich und unter jeglicher Betriebs- und Umgebungsbedingung, denen die Welle ausgesetzt sein kann, stabil sind. Mit anderen Worten muss jedes entstehende parasitäre Feld im Vergleich zum Feld des aktiven Bereichs ausreichend klein sein, damit das von den Magnetfeldsensoren gefühlte Nettofeld für Drehmomenterfassungszwecke nützlich ist. Um den verschlechternden Einfluss parasitärer Felder zu minimieren, ist es somit wichtig ein Material für die Scheibe 10 zu verwenden, dessen Koerzitivfeldstärke ausreichend hoch ist, damit das aus dem magnetoelastisch aktiven Bereich entstehende Feld die Bereiche der Scheibe 10, die nahe dem magnetoelastischen Bereich liegen, nicht so magnetisiert, dass parasitäre Magnetfelder erzeugt werden, die ausreichend stark sind, um die Nützlichkeit, für Drehmomenterfassungszwecke, des Nettomagnetfeldes zu zerstören, das die Magnetfeldsensoreinrichtung fühlt. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass die Koerzitivfeldstärke der Scheibe 10 größer als 1,2 kA/m (15 Oe), vorzugsweise mehr als 1,6 kA/m (20 Oe) und am meisten bevorzugt mehr als 2,8 kA/m (35 Oe) beträgt.
Der Magnetfeldvektorsensor 16 ist eine Magnetfeldvektorerfassungsvorrichtung, die bezüglich der Scheibe 10 so angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie die Größe und Polarität des Feldes erfasst, das aufgrund der Neuorientierung der polarisierten Magnetisierung aus der im Ruhezustand vorliegenden Umfangsrichtung im Raum um die aktiven Bereiche der Scheibe 10 herum entsteht. Der Magnetfeldvektorsensor 16 liefert eine Signalausgabe, die die Größe des aufgebrachten Drehmoments angibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldvektorsensor 16 ein Halleffektsensor mit integrierter Schaltung. Für die Verwendung im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentsensor werden Fluxgate-Induktionsspulen am meisten bevorzugt, die eine Solenoidform aufweisen, die sich radial über die radiale Ausdehnung jedes aktiven Bereichs erstreckt. Aufgrund ihrer Geometrie sind sie von einem Ende ihres Kerns zum anderen empfindlich für Magnetfelder. Somit erfassen die bevorzugten Fluxgate-Induktionsspulen vielmehr entlang der gesamten radialen Länge der aktiven Bereiche als lediglich an einem einzigen Punkt, wobei der Mittelwert der lokalen Momente aus den entlang der radialen Ausdehnung des Sensors erzeugten zahlreichen Domänen ermittelt wird. Diese Eigenschaft des Sensors schwächt alle negativen Auswirkungen ab, die sich sonst aufgrund der radialen Ungleichmäßigkeit des Feldes, das aufgrund der entwickelten Torsionsspannung entsteht, entwickelt hätten. Drähte 18 verbinden den Magnetfeldvektorsensor 16 mit einer Gleichstromquelle und übertragen die Signalausgabe des Magnetfeldvektorsensors zu einer Empfangsvorrichtung (nicht gezeigt), wie etwa zu einer Steuer- oder Überwachungsschaltung für die Maschine oder das System, das die Scheibe 10 enthält. Eine ausführlichere Erörterung der Arten, Eigenschaften, der Positionierung und Funktionsweise der Magnetfeldvektorsensoren ist in den US-Patenten Nr. 5,351,555 , Spalte 6 bis 9, und Nr. 5,520,059 , Spalte 7 bis 11 und Spalte 25 zu finden.
Wenn die Scheibe 10 einen einzigen magnetisierten Bereich umfasst, kann das erzeugte radiale Feld, das sich zwischen der Nabe 6 und der radialen Ausdehnung des Bereichs (dem Außenumfang 11, wenn die gesamte radiale Ausdehnung der Scheibe polarisiert ist) erstreckt, vorteilhafterweise, wie in 2 gezeigt, von einem Sensor 20 erfasst werden, der über dem aktiven Bereich 23 radial zentriert ist, wobei die Erfassungsrichtung des Sensors in radialer Richtung ausgerichtet ist. Alternativ, oder zusätzlich, kann das radiale Feld von einem Sensor 22 erfasst werden, der am Nabenende der Scheibe 10 angeordnet ist, an dem die höchste Scherspannung herrscht, oder von einem Sensor 24, der am Randende der Scheibe 10 angeordnet ist. Die Randposition für den Sensor 24 ist lediglich dann besonders vorteilhaft, wenn die Scheibe 10 von einem dicken Ende an der Nabe 6 zu einem dünnen Ende am Rand 12 verjüngt ist, um die Scherspannung am Rand zu erhöhen. Wenn die Scheibe 10 nicht verjüngt ist, wäre das Signal an der Randposition zu schwach, um in einer vorteilhaften Weise erfasst zu werden.
Wenn die Scheibe 10 zwei entgegengesetzt polarisierte Bereiche 26, 28 aufweist, die sich zwischen der Nabe 6 und dem Rand 12 erstrecken, wird ein Pol an der "Domänenwand" 30 zwischen den beiden Bereichen und an den radialen Enden der beiden Bereiche gebildet. Die resultierenden radialen Felder können in 3 von dem Sensor 32 erfasst werden, der axial angrenzend an die Scheibe und über der "Domänenwand" angeordnet ist. Alternativ, oder zusätzlich, wäre es auch von Vorteil, zwei Sensoren 34, 36 zu verwenden, die entlang der gleichen radialen Line angeordnet und über jedem aktiven Bereich radial zentriert sind, wobei ihre Erfassungsrichtungen radial und entgegengesetzt ausgerichtet sind, um eine Gleichtaktfeldauslöschung zu ermöglichen.
Um die Unabhängigkeit von Umgebungsfeldern zu erhalten und das Wackeln der Scheibe zu berücksichtigen, ist es bei jeder Sensorpositionierung vernünftig, zwei Sensoren, z.B. die Sensoren 20, 20', an jeder axialen Seite der Scheibe 10 zu verwenden, wie in 4 gezeigt. Außerdem muss die Umfangsanordnung der Sensoren bezüglich der Kontaktstelle(n) am Außenrand so ausgewählt sein, dass die Wirkung der axialen oder radialen Belastung am Rand minimiert oder beseitigt wird. Mit anderen Worten wird ein Sensor vorzugsweise nicht am stark beanspruchten Radius unmittelbar angrenzend an die axiale oder radiale Belastung am Rand, wie z.B. von einem Zahnrad verursacht werden kann, angeordnet. Der Sensor sollte vielmehr an dem Radius angeordnet sein, der um 180° von der Kontaktstelle entfernt ist.
Unabhängig von dem Verfahren zur Befestigung der Scheibe 10 an der Nabe und am Rand besteht ein entstehendes Problem darin, dass die Torsionsspannung in der Scheibe 10 im Befestigungsbereich inhomogen ist. Wenn die gesamte radiale Ausdehnung der Scheibe 10 polarisiert ist, ist somit die Stärke des "Pols" um ihrem Umfang an der Nabe 6 und am Rand 12 nicht gleichmäßig. Dieser unangenehme Effekt kann durch die Beschränkung der poloarisierten Bereiche auf Abschnitte der Scheibe 10 reduziert werden, welche sich in einem, ausreichenden Abstand von den Befestigungen befinden, um deren zugehörige Spannungskonzentrationen nicht zu erfassen. Wie in 1 zu sehen ist, weist der Drehmomentaufnehmer beispielsweise eine Scheibe 10 auf, die an einer Nabe 6 und einem Rand 12 befestigt ist und lokale, radial getrennte, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche 26, 28 und nicht polarisierte Umfangsendbereiche 38, 40 aufweist. Es ist außerdem vorteilhaft einen Homogenisierring 30 an der Domänenwand zu verwenden, der aus einem magnetisch weichen Material wie etwa Permalloy besteht, um die Unabhängigkeit von Umfangsänderungen des Signals im Ruhezustand aufgrund von Materialinhomogenitäten bereitzustellen. Es ist auch vorteilhaft, einen radial kleinen "toten Raum" zwischen den beiden entgegengesetzt polarisierten Bereichen 26, 28 zu lassen, um eine "abgeflachte" Übertragungsfunktion der radialen Position in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit bereitzustellen und "Auslauf"-Probleme zu vermeiden.
Der scheibenförmige erfindungsgemäße Aufnehmer ist in der Lage, sowohl die Leistung oder Energie als auch ein Drehmoment zu erfassen, was beispielsweise besonders nützlich wäre, wenn die Scheibe 10 die Kettenuss eines Trainingszweirads wäre, indem einige gleichmäßig beabstandete vorspringende Elemente auf der Scheibe 10, wie etwa darin ausgebildete Öffnungen, angeordnet werden, um den magnetischen Leitwert der Flusswege durch den Magnetfeldvektorsensor bei Drehung der Scheibe 10 zu modulieren. Dies führt dazu, dass sich das Feld im Raum nahe der Scheibe 10 hinsichtlich der Stärke mit einem Umfangsmuster ändert, das für die gleichmäßig beabstandeten hervorspringenden Elemente repräsentativ ist, und somit gibt das resultierende Signal die Geschwindigkeit der Scheibendrehung an. Andere Elemente als Öffnungen in der Scheibe 10 können auch verwendet werden, um den magnetischen Leitwert der Flusswege durch den Sensor zu modulieren. Der Feldmodulator kann z.B. eine Reihe von Permalloy-Punkten sein, die gleichmäßig um den Umfangsrand der Fläche der Scheibe 10 beabstandet sind. Das resultierende Signal gibt sowohl die Leistung als auch das Drehmoment an, wie in dem US-Patent Nr. 5,591,925 angegeben ist.

Claims

Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das das zwischen radial getrennten Orten übertragene Drehmoment angibt, mit: einem insgesamt scheibenförmigen Teil (10) mit einander gegenüberliegenden insgesamt kreisförmigen Flächen und einer zentralen Drehachse, wobei das Teil einen ersten magnetoelastisch aktiven Bereich aufweist, der sowohl ferromagnetisch als auch magnetostriktiv ist, wobei der Bereich in einer einzigen Umfangsrichtung remanent magnetisch polarisiert ist und eine ausreichende magnetische Anisotropie aufweist, um die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Teil zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, wodurch der magnetoelastisch aktive Bereich, wenn ein Drehmoment auf das Teil (10) ausgeübt wird, ein Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem ausgeübten Drehmoment ändert, einem ersten Drehmomentübertragungselement (6), das direkt oder indirekt an dem Teil (10) auf der zentralen Drehachse angebracht ist oder einen Bestandteil von diesem bildet, so dass ein Drehmoment zwischen dem Teil (10) und dem ersten Übertragungselement übertragen wird, einem zweiten Drehmomentübertragungselement (12), das direkt oder indirekt an dem Teil (10) am Außenbereich des Teils (10) angebracht ist oder einen Bestandteil von diesem bildet, so dass ein Drehmoment zwischen dem Teil (10) und dem zweiten Übertragungselement (12) übertragen wird, wobei das erste und das zweite Übertragungselement (6, 12) das Element ist, durch das das ausgeübte Drehmoment auf das Teil (10) übertragen wird, und wobei das andere der Übertragungselemente das Element ist, durch das ein radial durch das Teil (10) übertragenes Drehmoment von dem Teil fort übertragen wird, und einer Magnetfeldsensor-Einrichtung (16), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs angebracht ist und in Bezug auf diesen orientiert ist, um den Betrag des Magnetfelds an der Sensoreinrichtung (16) zu erfassen und das Ausgangssignal als Reaktion darauf bereitzustellen, wobei mindestens der magnetoelastisch aktive Bereich des Teils (10) aus einem Material mit einer Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,2 kA/m (15 Oe) besteht, die somit ausreichend hoch ist, damit das von dem Teil (10) in der Nähe des Teils (10) herrührende Feld Bereiche des Teils (10) in der Nähe des Teils (10) nicht magnetisiert, wodurch sich parasitäre Mangetfelder ergeben würden, die eine ausreichende Stärke aufweisen, um die Nützlichkeit, für Drehmomenterfassungszwecke, des Nettomagnetfelds zu zerstören, das die Magnetfeldsensor-Einrichtung (16) spürt.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei das Teil (10) aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50 % der Verteilung lokaler Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die einzige Kreisrichtung angeordnet ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 2, wobei das Teil (10) aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem jeder Kristallit eine kubische Symmetrie aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei das Teil (10) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus martensitischen Edelstählen, durch Ausscheiden gehärteten Edelstählen, welche Chrom und Nickel enthalten, vergüteten Legierungsstählen, Werkzeugstählen, Martensitaushärtungsstählen mit einem hohen Nickelgehalt, duktilen Permanentmagnetmaterialien, Magnetstählen, Permendur, Alfer, Kovar, hartgezogenem Nickel und hartgezogenem Permalloy besteht.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Koerzitivfeldstärke des Teils (10) größer als 1,6 kA/m (20 Oe) ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Koerzitivfeldstärke des Teils (10) größer als 2,8 kA/m (35 Oe) ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (16) einen Festkörpersensor aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (16) eine Fluxgate-Induktionsspule aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (16) an dem magnetoelastisch aktiven Bereich angebracht und in Bezug auf diesen orientiert ist, um die Polarität des Magnetfelds zu erfassen.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 9, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtung (16) in Bezug auf den magnetoelastisch aktiven Bereich in einer festen Position und in der Nähe von diesem angebracht ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 9, wobei die Sensoreinrichtung (16) radial mittig über dem magnetoelastisch aktiven Bereich positioniert ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 11, wobei die Sensoreinrichtung mindestens zwei Sensoren (34, 36) aufweist, die in der Nähe von einer der einander gegenüberliegenden Flächen des Teils (10) positioniert sind.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 10, wobei die Sensoreinrichtung mindestens einen Sensor (20) aufweist, der in der Nähe von jeder der einander gegenüberliegenden Flächen des Teils positioniert ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 10, wobei das Teil (10) in einer radialen Richtung von einem dicken Ende auf der Drehachse zu einem dünnen Ende am Außenbereich dünner wird.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 14, wobei die Sensoreinrichtung am Außenbereich des Teils (10) positioniert ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei der magnetoelastisch aktive Bereich zwei oder mehr in Umfangsrichtung abgesetzte, magnetisch aneinander angrenzende Umfangsbereiche (26, 28) aufweist, die in Umfangsrichtung entgegengesetzt polarisiert sind.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 16, wobei die Sensoreinrichtung in der Nähe des Teils (10) positioniert ist und den Schnittbereich der angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten Umfangsbereiche (26, 28) überlagert.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 16, wobei der magnetoelastisch aktive Bereich zwei angrenzende, entgegengesetzt polarisierte Umfangsbereiche (26, 28) aufweist, die Sensoreinrichtung zwei Sensoren (34, 36) aufweist, die entlang derselben radialen Linie positioniert sind, und ein Sensor radial über jedem der angrenzenden, entgegengesetzt polarisierten Bereiche (26, 28) zentriert ist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei der magnetoelastisch aktive Bereich bei Abwesenheit eines auf das Teil (10) ausgeübten Drehmoments eine in Umfangsrichtung verlaufende magnetische Orientierung ohne Nettomagnetisierungskomponente in radialer Richtung des Teils (10) aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei das erste Drehmomentübertragungselement eine Nabeneinrichtung (6) zum Verbinden einer Welle (8) mit dem Teil (10) aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei das zweite Drehmomentübertragungselement eine Randeinrichtung (12) zum Verbinden einer Kraftübertragungseinrichtung mit dem Teil aufweist.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Übertragungselement (6, 12) aus einem Material geringer Permeabilität bestehen.
Magnetoelastischer Drehmomentsensor (2) nach Anspruch 1, welcher eine Beabstandungseinrichtung (40) geringer Permeabilität aufweist, um das erste und das zweite Übertragungselement (6, 12) von dem magnetoelastisch aktiven Bereich zu beabstanden.
Verfahren zum Erfassen eines zwischen radial getrennten Orten übertragenen Drehmoments mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines magnetoelastisch aktiven Bereichs mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven scheibenförmigen Teil (10), das einander gegenüberliegende insgesamt kreisförmige Flächen und eine zentrale Drehachse aufweist, wobei der Bereich in einer einzigen Umfangsrichtung remanent magnetisch polarisiert ist und eine ausreichende magnetische Anisotropie aufweist, um die Magnetisierung in dem Bereich nach dem Ausüben eines Drehmoments auf das Teil (10) zu der einzigen Umfangsrichtung zurückzuführen, wenn das ausgeübte Drehmoment auf Null verringert wird, wobei der magnetoelastisch aktive Bereich aus einem Material mit einer Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,2 kA/m (15 Oe) besteht, die somit ausreichend hoch ist, damit das von dem Drehmoment induzierte Feld, das von dem magnetoelastisch aktiven Bereich herrührt, Bereiche des Teils (10), die in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs liegen, nicht magnetisiert, wodurch sich parasitäre Magnetfelder ergeben würden, die eine ausreichende Stärke aufweisen, um die Nützlichkeit, für Drehmomenterfassungszwecke, des Nettomagnetfelds zu zerstören, das die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung spürt, (b) Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Drehmomentübertragungselements (6, 12), die direkt oder indirekt an dem Teil (10) auf der zentralen Drehachse und dem Außenbereich des Teils (10) angebracht sind oder einen Bestandteil von diesem bilden, so dass ein Drehmoment zwischen dem Teil (10) und den Übertragungselementen (6, 12) übertragen wird, (c) Übertragen eines Drehmoments auf das Teil (10) durch das erste oder zweite Übertragungselement, radial durch das Teil (10) und von dem Teil (10) fort durch das andere von den Übertragungselementen (6, 12), (d) Erzeugen eines Magnetfelds infolge des Übertragens eines Drehmoments radial durch das Teil (10), und (e) Erfassen des Betrags des Magnetfelds an einer Position in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs als Angabe des Betrags des durch das Teil (10) übertragenen Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Teil (10) aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem mindestens 50 % der Verteilung der lokalen Magnetisierungen innerhalb eines 90°-Quadranten liegen, der symmetrisch um die einzige Kreisrichtung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Teil (10) aus einem polykristallinen Material besteht, bei dem jeder Kristallit eine kubische Symmetrie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Erfassungsschritt mindestens teilweise durch Positionieren einer Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung in der Nähe des magnetoelastisch aktiven Bereichs und in einem Abstand von diesem erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 24, mit dem Schritt des Bereitstellens mindestens eines zusätzlichen in Umfangsrichtung abgesetzten, magnetoelastisch aktiven Bereichs (28), der magnetisch an den ersten Bereich (26) angrenzt, wobei jeder zusätzliche Bereich in einer Umfangsrichtung polarisiert ist, die der Polarisationsrichtung von magnetisch angrenzenden magnetoelastisch aktiven Bereiche entgegengesetzt ist.