JP2020511657A - 磁場センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは円筒形、円錐形、角柱形の本体（２１０）または自由形状の本体を有する部品（２００）用の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）に関し、少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）および少なくとも１つの第２の導電トラック（１２０）は部品（２００）の本体（２１０に取り付けられ、少なくとも第２の導電トラック（１２０）は、好ましくは分離層（３００）の形態で少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）から距離を置いて配置され、少なくとも１つの励磁磁石が設けられ、少なくとも第２の磁性導電トラック（１２０）から少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）までの距離（Ａ）の変化による磁束の変化が監視される。

Description

本発明は、少なくとも１つの第１の磁性導電トラックおよび少なくとも１つの第２の導電トラックが部品の本体に取り付けられ、少なくとも第２の導電トラックが少なくとも第１の磁性導電トラックから距離を置いて配置される、好ましくは円筒形、円錐形、角柱形の本体または自由形状の本体を有する部品用の磁場センサと、磁場センサの製造方法と、圧力センサおよび／または距離センサとしての磁場センサの使用とに関する。

例えば車両および航空機、機械、または建物の部品の物理量を測定することは、それら部品の保守および運用監視の重要な側面である。重要な要素は部品に作用する力であり、その測定値は、部品の負荷または全体的な状態に関する重要な情報を提供する。

現在最も一般的に使用されている方法は、部品のそれぞれの箇所に取り付けられた歪みゲージによる、この場合に生じる変形および力の測定である。このシステムの主な欠点の１つは、これらの歪みゲージが測定対象の部品に接着剤で取り付けられていることと、この接着剤による取付けが測定情報の転送を妨げ、かつ歪みゲージを歪ませる可能性があることである。さらに、測定情報を読み取るために歪みゲージを電気的に接続する必要があり、金属部品の場合、電気測定回路を部品から完全に絶縁する必要がある。
結果として、部品の変形の測定が磁気的に行われる方法が知られている。

したがって、独国特許出願公開第１０２０１４２００４６１号明細書は、閉鎖磁化経路に沿った永久磁化を含む機械要素にかかる力またはトルクを測定する構成を記載している。ここでは、磁場の変化を監視する磁場センサが設けられる。この構成は、少なくとも特定の領域で部品の永久磁化を必要とするため、全ての部品には適していない。さらに、外部の磁気的および／または電気的もしくは電磁的な影響によって引き起こされる障害の影響を受けやすくなる。

独国特許出願公開第３６２４８４６号明細書は、非接触で機械的応力を測定するための、特に測定対象物のねじれもしくは曲げ力を測定するための装置を記載している。ここでは、磁気弾性材料の層を含む２つの領域が、４５°の角度で形成された縞模様を有するシャフト上に配置されている。シャフトの機械的歪みによるこの縞模様の変化は、複雑な評価回路によって監視される。さらなる磁気弾性トルクセンサは、独国特許出願公開第１０３３１１２８号明細書においても確認することができる。

独国特許出願公開第１０２０１４２００４６１号明細書 独国特許出願公開第３６２４８４６号明細書 独国特許出願公開第１０３３１１２８号明細書

上述の構成は、部品の変形過程を監視するのに部分的にしか、もしくは全く適していないか、あるいは、実際にはあまり適していない複雑な設計を有している。

特に、フライス加工用、旋削用もしくは打抜き用工具、または鋳造用もしくは射出成形用工具などの材料加工装置の工具を監視する場合、それぞれの工具に作用する力および／またはそれぞれの工具の位置を監視することは、欠陥のある工具によるこれらの機械の長く大きな損害をもたらすダウン時間を回避するために役立つ。同様に、保守間隔は、得られた結果に基づいてより適切に計画されてもよい。

本発明によれば、この目的は少なくとも１つの磁性導電トラックの磁束を監視することによって解決され、少なくとも１つの第１の磁性導電トラックと少なくとも第２の磁性導電トラックとの間の距離の変化は、磁束の変化を引き起こす。

少なくとも第１の磁性導電トラックと少なくとも第２の磁性導電トラックとの間の距離は、監視対象の部品に作用する力により変化する。これはまた、少なくとも２つの磁性導電トラック間の磁気抵抗を変化させ、これにより、少なくとも２つの磁性導電トラック内の磁束が再び変化する。したがって、磁束のこの変化は部品に作用する力の指標であり、監視対象の部品が変形する可能性がある。

本開示の文脈において、「磁性導電トラック」は、強磁性を有する監視対象の部品上の領域を意味する。磁性導電トラックは実際にはシート状であってもよいが、部品の表面上もしくは部品内の任意の形状の表面積もしくは容積部として設けられてもよい。

ここでは、少なくとも２つの磁性導電トラックの磁束は、好ましくは磁性導電トラックと直接接触している少なくとも１つの励磁磁石によって誘導されることが想定される。あるいは、少なくとも１つの励磁磁石は、例えば監視対象の部品の一部として、または監視対象の部品の領域内の追加の要素として磁場センサの外部にあってもよい。

この励磁磁石は永久磁石であってもよく、好ましくは電気めっきによって製造される。このために、硬磁性合金が堆積されるか、または永久磁石粒子が非磁性マトリックスに挿入される。あるいは、励磁磁石は電磁石であってもよい。
本発明の磁場センサは、好ましくは監視対象の部品上に直接配置され、監視されている２つの磁性導電トラック間の距離の変化を伴う。

本発明の磁場センサが軟磁性材料からなる部品を監視する役割を果たす場合、この変形例は、磁場の歪みを回避して磁束の測定の歪みを回避するために非磁性材料の磁気障壁層を含む。

本発明の磁場センサは、好ましくは少なくとも２つの導電トラック内の磁束を監視する少なくとも１つの測定装置を含む。これにより、追加の外部測定ユニットを必要とせずに、一体型測定センサが得られる。

少なくとも１つの測定装置は、少なくとも１つ、好ましくは２つの内部磁気測定部を含む測定チップの形態で設けられることが特に好ましく、測定チップは、好ましくは例えばプラスチック、セラミック、ガラス、サファイアもしくはマイカなどの電気絶縁担体上に配置される。この測定チップは磁束の変化を評価し、データを（外部の）評価ユニットに送信する。

本発明の特に好ましい実施形態では、少なくとも２つの磁性導電トラックおよび少なくとも１つの測定装置が磁気測定回路を形成することが想定される。ここでは、少なくとも１つの励磁磁石もまたこの磁気測定回路の一部であることが特に好ましい。あるいは、少なくとも１つの励磁磁石は磁場センサの外部に配置されてもよい。

障害が発生しやすい環境では、力の影響とは無関係に磁束に影響する漂遊磁場もしくは温度変動などの外部の影響を補償することが必要な場合がある。この目的のために、第２の磁気回路、すなわち、好ましくは少なくとも１つのさらなる励磁磁石を含む磁気補償回路が設けられる。補償回路の磁気抵抗の適応は、製造中、すなわち堆積中に磁性導体の透磁率を操作することにより、例えば堆積に使用されるインパルスパターンを変更することにより、層の厚さおよび／または層の幅などの幾何学的な変化により、適切な位置での補償回路の磁気導体の追加の遮断部を導入することにより、またはこれらの手段の組合せにより任意に達成することができる。

少なくとも１つの測定装置、特に測定チップは、ホイートストンブリッジを介して２つの磁気回路、すなわち少なくとも１つの測定回路と少なくとも１つの補償回路とを接続することが好ましい。この配置により、磁束のわずかな変化でさえも測定することが可能になる。

本発明の磁場センサは圧力センサおよび／または距離センサとしての使用に特に適しており、ここでは特に、フライス加工用、旋削用もしくは打抜き用工具、または鋳造用もしくは射出成形用工具などの、特に材料加工装置の工具、工具挿入、閉鎖機構および押圧体における使用に適している。

目的は、本発明の磁場センサの製造方法によってさらに解決され、この製造方法では、互いに距離を置いてある期間にわたって電気めっきすることにより、第１の磁性導電トラックだけでなく少なくとも第２の磁性導電トラックも基板に適用され、好ましくは監視対象の部品に適用される。

ここでは、例えば組成が最適化されたニッケル鉄合金などの軟磁性合金は、電気めっきによって、好ましくは非磁性の、任意にはマスキングされた部品に適用される。少なくとも１つの第１の磁性導電トラックおよび少なくとも１つの第２の磁性導電トラックは、電気めっきによっても適用することができる非磁性分離層によって分離されることが特に想定される。

磁場センサが適用される基体が、例えば鋼鉄もしくは鋳鉄からなる磁性体である場合、導電トラックを適用する前に非磁性層を基材に適用する必要がある。この非磁性層は、上述の分離層と同様に、例えば銅、スズ、亜鉛もしくはこれらの元素の２つ以上の合金、もしくは鉄金属とリンとの非磁性合金からなる電気めっき層でもある。

この完全に金属的な設計により、例えば測定結果に影響する可能性のある測定対象の部品にセンサを取り付ける追加の接着層なしで、センサと部品とが最適に接続される。
電気めっきによる本発明の磁場センサに特に適した励磁磁石の製造を、様々な方法で達成することができる。

一変形例では、コバルト−ニッケル−リン、コバルト−ニッケル−マンガン−リン、コバルト−ニッケル−レニウム−リン、鉄−白金、コバルト−白金、およびビスマス−マンガンなどの合金からなる群から選択される永久磁石合金は、電気めっきによって基板もしくは部品上に堆積される。

あるいは、基板、特に部品への電気めっき中に、永久磁石の微粒子もしくはナノ粒子は非磁性の金属マトリックスに組み込まれる。ここでは、候補粒子には、ナノワイヤ、フェライトなどの粉末、二酸化クロム、酸化鉄、ネオジム−鉄−ホウ素粉末もしくはコバルト−サマリウム粉末などの、適切な形態の全ての硬磁性材料および硬磁性合金が含まれる。これらの粒子は純粋な形態で使用されるか、または例えばシロキサンとの適切な化学的表面改質の後に使用されてもよい。粒子の表面の化学的改質は、一方では電気めっき層への粒子の取込み速度を制御するのに役立ち、他方では、堆積に使用される電解質に対する化学的安定性を高めることができる。

好ましくは、永久磁石層の堆積は、粒子をそれらの磁化方向に配向させることによって電気めっきされた永久磁石の磁場強度を向上させる、外部から適用される磁性層で生じる。
以下において、本発明は、非限定的で例示的な実施形態およびそれらのそれぞれの図によって詳細に説明される。

概略的に示した本発明の圧力センサの斜視図である。 図１の圧力センサの上面図である。 図１の圧力センサの断面図である。 圧力センサの第２の実施形態の斜視図である。 圧力センサの第３の実施形態の斜視図である。 図５の圧力センサの断面図である。 距離を測定する２つの本発明の磁場センサの配置を示す図である。 図７の配置による磁場センサの上面図である。 図７の配置による磁場センサの斜視図である。 本発明の圧力センサの測定装置の概略図である。

図１は、略円筒形の本体２１０を含む部品２００上にある本発明の磁場センサ１００を示している。この変形実施形態では、部品２００は非磁性金属からなる。ここでは、磁場センサ１００は圧力センサとして機能し、部品２００の端面２１１および被覆部２１２を部分的に覆う第１の磁性導電トラック１１０からなる。第２の磁性導電トラック１２０もまた、部品２００の端面２１１および被覆部２１２の一部を覆う。

ここでは、第１の磁性導電トラック１１０と第２の磁性導電トラック１２０とが重なり合い、２つの導電トラック１１０および１２０は、非磁性材料層３００によって互いに磁気的に分離される。第１の磁性導電トラック１１０および第２の磁性導電トラック１２０、ならびに非磁性分離層３００は、電気めっき法によって部品２００に特に適用される。

部品２００の端面２１１に力が作用すると、分離層３００が圧縮され、第１の磁性導電トラック１１０は第２の磁性導電トラック１２０に接近し、これにより距離が変化し、したがって２つの導電トラック１１０および１２０の間に誘導される磁場が変化する。この磁場の変化は対応する測定装置によって検出され、その後、適切な評価装置によって評価される。

図４に示す略円筒形の部品２００上の本発明の磁場センサ１００の変形例では、第１の磁性導電トラック１１０および第２の磁性導電トラック１２０は、部品２００の被覆表面２１２上に排他的に配置される。例えば、圧力が端面２１１に作用すると、第１の磁性導電トラック１１０と第２の磁性導電トラック１２０との間の分離面３００の広がり、したがってこの場合もやはり、２つの磁性導電トラック１１０および１２０間の磁場が変化する。

本発明の磁場センサ１００の第３の実施形態では、第１の磁性導電トラック１１０が、部品２００の端面２１１上の部品２００の上に配置される一方で、第２の磁性導電トラック１２０は、部品２００の被覆表面２１２を覆う（図５を参照）。

図６の断面図では、第１の磁性導電トラック１１０が、部品２００の端面２１１を覆うだけでなく、部品２００内に突出していることが分かる。したがって、部品２００は、例えば第１の磁性導電トラック１１０の一部が導入される穴を有してもよい。第２の磁性導電トラック１２０は、部品２００を被覆表面２１２に沿って囲み、部品２００の端面２１１の領域で分離層３００を介して第１の磁性導電トラック１１０から分離される。力が部品２００の端面２１１に作用し、したがって第１の導電トラック１１０に作用すると、分離層３００が再び圧縮され、これにより、第１の磁性導電トラック１１０と第２の磁性導電トラック１２０との間の磁束が変化する。この磁場の変化は再び検出され、かつ評価される。

図７は、本発明の磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂが部品２００上に互いに距離を置いて配置されている配置４００を示している。これら磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂは、部品２００と対応部分４１０との間の距離の監視を目的としている。この配置４００では、対応部分４１０もまた磁性であり、かつ、磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂそれぞれの２つの導電トラック１１０および１２０に磁場を誘導する。対応部分４１０と２つの磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂとの間のそれぞれの距離が等しい限り、すなわち、部品２００が対応部分４１０と略平行に配向されている限り、磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂそれぞれにおける磁束は等しい。しかし、２つの磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂの一方までの距離が変化する場合、すなわち、部品２００がもはや対応部分４１０と平行に配向されない場合、それぞれの磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂにおける磁束は異なり、これらの磁場差が検出されかつ評価されることがある。

この文脈で使用される磁場センサ１００Ｂは、図８および図９において参照することができる。この場合もやはり、被覆表面もしくは磁場センサ１００Ｂの端面の領域は、第１の磁性導電トラック１１０および第２の磁性導電トラック１２０から分離され、かつ覆われる。

このようにして、部品２００の正確な位置、例えば工具ホルダに対する工具の正確な位置を監視してもよい。この配置４００は、上述の通り接触することなく、すなわち距離センサとして使用されてもよく、または、部品２００もしくは磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂと対応部分４１０とが接触しながら使用されてもよい。第２の場合では、磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂは、部品２００と対応部分４１０との間の表面圧力もしくは接触圧力、または２つの部品間の正確な平行度を監視する圧力センサとして機能する。

また、例えば磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂの端面には、対応部分４１０に対するシールドとして機能する最上層（図示せず）が設けられることを想定することができる。この最上層の摩耗は、磁場センサ１００Ａおよび１００Ｂの磁場を再び変化させ、これにより、最上層は摩耗の指標として機能する。

便宜上、少なくとも１つの励磁磁石および測定評価ユニットは上記の図には示されていない。例えば、出願人についてなされたオーストリア特許出願番号第５００５７／２０１７号明細書に記載の測定ユニットを使用してもよい。
図１０は、このような配置５００を概略的に示している。

ここでは、第１の磁気測定回路５１０には、第１の磁性導電トラック１１０および第２の磁性導電トラック１２０が設けられ、導電トラック１１０および１２０は、実際の形状に関係なく、この図では単純な線形トラックとして示されている。２つの磁性導体１１０および１２０は、上述の例で説明したように互いに距離を置いて配置されており、この図では遮断部５１２によって表されている。磁気測定回路５１０は、第１の磁気測定回路５１０で一定の磁場が生成される励磁磁石５１１を有する。

影響を最小限に抑えるために、特に周囲からの磁気的および／または電磁的な影響を最小限に抑えるために、この実施形態の評価ユニット５００は、磁性導電トラック５２１を含む補償測定回路として第２の磁気測定回路５２０をさらに備え、第２の磁気測定回路５２０は第２の励磁磁石５２２を有する。

外力の影響のために２つの導電トラック１１０および１２０の間の距離が変化し、したがって遮断部５１２の距離が変化する場合、導電トラック１１０および１２０の磁束も同様に変化する。このために、２つの磁気的に活性な測定回路５１０および５２０の磁束は測定チップ６００を介して互いに測定される。

第１の磁気測定回路５１０の２つの磁性導電トラック１１０および１２０の端部は、測定チップ６００の２つの磁気入力に結合される。これらの２つの入力の間には、２つの磁気測定部６０１および６０２が設けられ、これらは、第１の磁気測定回路５１０の遮断部５１２を監視する役割を果たす。

補償回路５２０のために、別の２つの磁気入力が測定チップ６００上に設けられ、これらは、この場合もやはり２つの測定部６１０および６１１を介して接続される。
最後に、電気エネルギーを測定チップ６００に供給する端子と、得られた測定信号を評価する信号出力とが設けられる。

本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されないことが理解される。特に、磁性導電路の作成は様々な方法で実現することができ、２つの磁性導電路に限定されないことに留意されたい。さらに、監視対象の部品は任意の形状であってもよい。

Claims (15)

1. 好ましくは円筒形、円錐形、角柱形の本体（２１０）または自由形状の本体を有する部品（２００）用の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）であって、少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）および少なくとも１つの第２の導電トラック（１２０）が前記部品（２００）の前記本体（２１０）に取り付けられ、少なくとも前記第２の導電トラック（１２０）が、好ましくは分離層（３００）の形態で前記少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）から距離を置いて配置されており、
   少なくとも１つの励磁磁石が設けられ、前記少なくとも１つの第２の磁性導電トラック（１２０）から前記少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）までの距離の変化による磁束の変化が監視されることを特徴とする、磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
2. 前記少なくとも１つの励磁磁石は、例えば硬磁性合金、もしくは挿入された永久磁石粒子を含む非磁性マトリックス、もしくは電磁石からなる永久磁石であることを特徴とする、請求項１に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
3. 非磁性材料の磁気障壁層（３００）が設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
4. 前記磁束を監視する少なくとも１つの測定装置を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
5. 前記少なくとも１つの測定装置は、少なくとも１つ、好ましくは２つもしくは４つの内部磁気測定部を含む測定チップとして形成され、前記測定チップが好ましくは電気絶縁担体上に配置される、請求項４に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
6. 前記少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）と前記少なくとも第２の磁性導電トラック（１２０）と前記少なくとも１つの測定装置とが磁気測定回路を形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
7. 前記少なくとも１つの励磁磁石は、前記磁気測定回路の一部として形成されることを特徴とする、請求項６に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）。
8. 圧力センサおよび／または距離センサとしての、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）の使用。
9. フライス加工用、旋削用もしくは打抜き用工具、または鋳造用もしくは射出成形用工具などの、特に材料加工装置の工具、工具挿入、閉鎖機構および押圧体における請求項８に記載の使用。
10. 少なくとも第１の磁性導電トラック（１１０）および少なくとも第２の磁性導電トラック（１２０）が、距離を置いて、かつ監視対象の部品（２００）への電気めっきによって適用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁場センサ（１００、１００Ａ、１００Ｂ）の製造方法。
11. 前記少なくとも１つの第１の磁性導電トラック（１１０）および前記少なくとも１つの第２の磁性導電トラック（１２０）は、軟磁性合金、例えばニッケル鉄合金からなることを特徴とする、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記少なくとも１つの導電トラック（１１０、１２０）が適用される前に、好ましくは銅、スズ、亜鉛もしくはこれらの元素の２つ以上の合金、もしくは鉄金属とリンとの非磁性合金からなる群から選択される非磁性層（３００）が、基材、特に監視対象の前記部品（２００）に適用されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の製造方法。
13. 前記少なくとも１つの励磁磁石が、電気めっきによって前記部品（２００）に適用されることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の製造方法。
14. コバルト−ニッケル−リン、コバルト−ニッケル−マンガン−リン、コバルト−ニッケル−レニウム−リン、鉄−白金、コバルト−白金、およびビスマス−マンガンなどの合金からなる群から選択される永久磁石合金は、電気めっきによって基板上に堆積されることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
15. 基板への電気めっき中に、永久磁石の微粒子もしくはナノ粒子が非磁性の金属マトリックスに組み込まれることを特徴とする、請求項１４に記載の製造方法。