用于借助至少四个磁场传感器测量力或力矩的装置的制作方法

本发明涉及一种用于借助至少四个磁场传感器利用逆磁致伸缩效应测量在沿着轴线延伸的机械部件上的力和/或力矩的装置。

背景技术：

由us2012/0296577a1已知一种磁致弹性力传感器，它用来测量在被圆周地磁化的部件上的力。

us5,321,985教导了一种磁致伸缩的扭矩传感器，其中，在轴的外表面上设置磁致伸缩层，并且与激励线圈和探测线圈相反地定位。作用在轴上的扭矩会引起在磁致伸缩层内的材料应力，由此根据方向地改变了它们相对地磁透性。由磁致伸缩层引起的磁场能够被探测线圈测量。

de69936138t2示出了一种磁性力传感器，其中，对磁性材料施加弯曲力矩，其中，借助传感器装置能够确定磁性材料的外磁场。

由de60309678t2已知一种用于感测在轴中的扭矩的方法，其中，会产生具有交替极性的磁场，利用传感器装置能测量这种磁场。

us2007/0022809a1示出一种用于测量扭矩的装置，其中，在轴中设置由磁致伸缩材料构成的层。

由us5,052,232已知一种磁致弹性的扭矩传感器，其中，设置具有两个环绕的磁致伸缩层的机械部件。

由de69838904t2已知一种具有圆形磁场的扭矩传感器。在轴的铁磁的、磁致伸缩材料中形成磁场，并且圆形地绕着轴延伸。

由de69222588t2已知一种环形磁化的扭矩传感器。

wo2007/048143a2教导一种具有磁化杆的传感器。

wo01/27638a1示出具有被圆周或者纵向磁化的杆的加速传感器。

由wo2006/053244a2已知一种扭矩传感器，它包括在旋转的杆上的磁场。该磁场被圆周地设置。

us8,191,431b2示出一种具有磁性杆的传感器装置。

ep2365927b1示出一种具有两个踏蹬和链板支架的脚踏支座，所述链板支架与脚踏支座的轴相连接。链板支架与链板轴抗扭连接，该链板轴又抗扭地与轴相连接。链板轴被部段式地磁化。设有一种传感器，它检测在磁性区域中存在扭矩时磁场的变化。

us6,490,934b2教导了一种用于测量扭矩的磁致弹性的扭矩传感器，所测量的扭矩作用在具有铁磁的、磁致伸缩和磁致弹性激活区域的部件上。这种区域设在检测变压器中，它作为柱形的套筒例如设在轴上。扭矩传感器与检测变压器相对置。

由ep0803053b1已知一种扭矩传感器，它包括磁致弹性的检测变压器。该检测变压器作为柱形的套筒设在轴上。

us8,893,562b2教导了一种用于在磁致弹性轴上进行扭矩测量时识别磁性干扰的方法。测量两种信号，其中，第二信号与磁性干扰相一致，并且将其从第一信号中减去。

us8,001,849b2示出一种用于磁致弹性式扭矩测量的装置，其中，应该补偿外部磁场的作用。所述装置包括轴的磁性区域以及至少一个被动的和主动的磁场传感器。被动的磁场传感器能够被安置在磁性区域的两侧。

us2011/0162464a1示出一种用于磁致弹性式扭矩测量的装置，其中，应该补偿相同的和不同的磁场作用。所述装置包括轴的磁性区域以及至少三个磁场传感器。第二和第三磁场传感器能够被安置在磁性区域旁边。

us8,087,304b2示出一种用于测量作用在轴上的扭矩的磁致弹性的扭矩传感器。所述轴具有一个或多个圆周的磁场。us8,087,304b2的图12示出只具有一个圆周磁场的实施方式，其中，在磁性区域中安置两个初级磁场传感器和在磁场区旁侧安置两个次级磁场传感器。us8,087,304b2的图18示出具有两个圆周的磁场的实施方式，它们交替地被极化，其中，在两个磁场的轴向过度区间上还安置多个磁场传感器。us8,087,304b2的图8示出具有三个圆周的磁场的实施方式，它们交替地被极化，其中，分别在三个磁场的每个磁性区域中安置磁场传感器。通过磁场传感器的特别安置可以消除磁性干扰场的影响。

技术实现要素：

从背景技术出发，本发明所要解决的技术问题是，扩充能够降低磁性干扰场对基于逆磁致伸缩效应的力和/或力矩测量的影响的可能性。

所述技术问题通过根据所附的权利要求1所述的装置所解决。

根据本发明的装置用于测量在轴线上延伸的机械部件上的力和/或力矩。力或力矩作用在机械部件上，由此会导致机械应力，并且使得机械部件大部分轻微变形。所述轴线优选构成机械部件的旋转轴线。

机械部件是空心的，因为它具有至少部分在轴线上延伸的空腔。该空腔尤其设在轴线的区域内。所述空腔优选延伸跨过机械部件的整个轴向长度。空腔优选在轴向端部上开口。它优选具有柱形的形状。

机械部件具有至少一个在机械部件的轴向部段内圆周地绕着轴线延伸的用于在机械部件内形成的磁场的磁性区域。因此，涉及至少一个绕着轴线的磁性区域，其中，所述轴线本身优选不构成磁性区域的一部分。其中一个或多个磁性区域具有关于机械部件的绕着轴线延伸的表面的切向方向。其中一个或多个磁性区域优选仅具有一个关于机械部件的绕着轴线延伸的表面的切向方向。其中一个或多个磁性区域优选分别沿着绕着轴线的封闭的路线延伸，其中，一个或多个磁性区域允许具有短空隙。其中一个或多个磁性区域分别构成用于确定力或力矩的初级传感器。只要设有多个磁性区域，则它们优选具有相同的空间延展，并且轴向上相隔。

所述装置还包括至少一个第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器，它们分别构成用于确定力或力矩的次级传感器。初级传感器，即至少一个磁性区域用于将待测量的力或力矩转换为相应的磁场，而次级传感器能够将磁场转换为电信号。第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器分别被设计用来单独测量通过磁性以及通过力和/或通过力矩形成的磁场的轴向方向分量。由于逆磁致伸缩效应而产生所述磁场。因此，借助根据本发明的装置能够进行基于逆磁致伸缩效应的测量。所述的轴向方向分量具有平行于轴线的方向。

只要机械部件只具有一个磁性区域，第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器都位于磁性区域的轴向部段内。只要机械部件具有多个磁性区域，第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器分别位于多个磁性区域的其中一个轴向部段内。因此，其中一个磁性区域原则上位于第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器的轴向位置上，其中，优选其中两个磁场传感器共同地被安置在其中一个磁性区域的轴向部段内。

根据本发明，至少第一磁场传感器和第二磁场传感器被安置在机械部件的空腔中，从而它们与所属的磁性区域的内表面对置，并且设计用于测量通过磁性以及通过力和/或通过力矩形成的磁场的在机械部件的空腔中产生的轴向方向分量。

根据本发明的装置的优点特别在于，所述装置在不同的设计方案中能够可靠地降低磁性干扰场对基于逆磁致伸缩效应的力和/或力矩测量的影响。

其中一个或多个磁性区域能够被永久或暂时磁化。在根据本发明的装置的优选实施方式中，其中一个或多个磁性区域被永久磁化，从而通过永磁化构成磁性。在根据本发明的装置的备选的优选实施方式中，所述装置还具有至少一个用于磁化至少一个磁性区域的磁体，从而至少一个磁性区域基本上被暂时磁化。该至少一个磁体能够通过永磁体或者优选通过电磁体构成。

其中一个永久地或暂时被磁化的磁性区域或其中多个永久地或暂时地被磁化的磁性区域在机械部件的未被力或力矩加载的状态中在相应的磁性区域外部优选趋向磁中性，从而在相应的磁性区域外部不会测量到在磁场技术上较重要的磁场。

其中一个或多个磁性区域分别表示机械部件的体积的一部分。其中一个或多个磁性区域优选分别设为环形的，其中，机械部件的轴线还构成相应的环形形状的中间轴线。特别优选的是，其中一个或多个磁性区域分别具有与机械部件的轴向同轴的空心柱形的形状。

机械部件优选还具有磁中性区域，所述磁中性区域分别在轴向上被安置在多个磁性区域之间和/或在轴向上被安置在机械部件的至少一个磁性区域旁边。磁中性区域既不具有永磁性，该装置也不会被设计为暂时磁化所述磁中性区域。当然，不期望的磁干扰场能够导致对磁中性区域的暂时磁化。所述磁中性区域优选不被磁化。

第一磁场传感器，第二磁场传感器，第三磁场传感器和第四磁场传感器优选被共同地安置在包括轴线的平面内，以便能够可靠地将磁干扰场对基于逆磁致伸缩效应的力测量和/或力矩测量的影响最小化。

根据本发明的装置的优选实施方式，第一磁场传感器和第二磁场传感器关于所述轴线被相对置地安置，并且具有与轴线相同的间距。因此，所述轴线与连接第一磁场传感器和第二磁场传感器的直线在第一磁场传感器和第二磁场传感器之间的中间处相交。第一磁场传感器与轴线的间距和第二磁场传感器与轴线的间距优选较低；尤其小于机械部件的外部半径的一半。第一磁场传感器与轴线的间距和第二磁场传感器与轴线的间距还能够等于零。

在根据本发明的装置的特别优选的实施方式中，第一磁场传感器和第二磁场传感器直接相邻地被安置在轴线两侧，从而第一磁场传感器与轴线的间距和第二磁场传感器与轴线的间距在技术上被最小化。第一磁场传感器和第二磁场传感器优选被安置在板件的前侧和后侧。

在根据本发明的装置的优选实施方式中，第三磁场传感器和第四磁场传感器关于轴线被对置地安置，并且具有与轴线相同的间距。因此，所述轴线与连接第三磁场传感器和第四磁场传感器的直线在第三磁场传感器和第四磁场传感器之间的中间处相交。第三磁场传感器与轴线的间距和第四磁场传感器与轴线的间距优选分别大于第一磁场传感器与轴线的间距和第二磁场传感器与轴线的间距。第三磁场传感器与轴线的间距和第四磁场传感器与轴线的间距优选分别大于两倍第一磁场传感器与轴线的间距和第二磁场传感器与轴线的间距。因此，第一磁场传感器和第二磁场传感器优选是径向内置的磁场传感器，而第三磁场传感器和第四磁场传感器优选是径向外置的磁场传感器，其中，定语“外置的”是关于与轴线的间距方面，并且并未给出关于在空腔内部或者外部的安置磁场传感器的结论。在磁性区域的每个轴向部段中，径向内置的磁场传感器的数量优选等于径向外置的磁场传感器的数量。

第三磁场传感器和第四磁场传感器优选被安置在机械部件的内表面或者外表面上，其中，在第三磁场传感器和机械部件的内表面和/或外表面之间设有空隙，并且其中，在第四磁场传感器和机械部件的内表面和/或外表面之间设有空隙。机械部件的内表面设在它的空腔中。机械部件的外表面设在它的外部形状上。所述空隙优选小于5mm；特别优选小于1mm。所述空隙优选同样大小。

第三磁场传感器和第四磁场传感器能够不仅被安置在机械部件的空腔中，而且还可被安置在空心的机械部件的外部。

在根据本发明的装置的另外的优选实施方式中，机械部件具有用于磁化的圆周地绕着轴线延伸的磁性区域中的两个。在此，第一磁场传感器和第三磁场传感器被安置在第二磁性区域的轴向位置上，而第二磁场传感器和第四磁场传感器被安置在第一磁性区域的轴向位置上。在该实施方式中，第一磁场传感器、第二磁场传感器、第三磁场传感器和第四磁场传感器优选被共同地安置在包括轴线的平面内。在该实施方式中，第一磁性区域和第二磁性区域优选具有相同的极性，也就是说，具有相同的旋转方向(umlaufsinn)。所述平面包括轴线，因为所述轴线处于所述平面内。

第四磁场传感器为了确定待测量的力或力矩优选被这样地安置和电路联接，从而能确定由能够被第一磁场传感器和第二磁场传感器测量的轴向方向分量的总和以及能够被第三磁场传感器和第四磁场传感器测量的轴向方向分量的总和构成的差值。所述的轴向方向分量是通过磁性以及通过力和/或力矩形成的磁场的轴向方向分量，所述磁场能够叠加磁干扰场。所述的总和和差值能够例如由此实现，即，构成减数的磁场传感器与构成被减数的磁场传感器相反地定向。但是，所述的总和和差值还能够由此实现，即，磁场传感器相同地定向，并且由他们的信号构成总和，其中，构成减数的磁场传感器被相反地极化。

根据本发明的装置的另外的优选实施方式包括在磁场传感器上的上述四相点(quadrupel)中的两个或多个。另外的四相点的磁场传感器位于磁性区域中的另外的轴向位置上，并且优选仅在它们的轴向位置上来区分第一至第四磁场传感器。

在其中一个这种另外的优选实施方式中，机械部件包括其中两个用于磁化的圆周地绕着轴线延伸的磁性区域。此外，所述装置还包括第五磁场传感器、第六磁场传感器、第七磁场传感器和第八磁场传感器，它们分别被设计用来单独测量通过磁性以及通过力和/或力矩形成的磁场的轴向方向分量。第一磁场传感器、第二磁场传感器、第三磁场传感器和第四磁场传感器被安置在第一磁性区域的轴向位置上。第五磁场传感器、第六磁场传感器、第七磁场传感器和第八磁场传感器被安置在第二磁性区域的轴向位置上。第五磁场传感器具有与第一磁场传感器相同的径向位置和相同的切向位置。第六磁场传感器具有与第二磁场传感器相同的径向位置和相同的切向位置。第七磁场传感器具有与第三磁场传感器相同的径向位置和相同的切向位置。第八磁场传感器具有与第四磁场传感器相同的径向位置和相同的切向位置。

在这种实施方式中，所述磁场传感器优选被这样地安置和电路联接，从而能够确定由能够被第一磁场传感器和第二磁场传感器测量的轴向方向分量的总和与能够被第三磁场传感器和第四磁场传感器测量的轴向方向分量的总和构成的第一差值。相应地，能够确定由能够被第五磁场传感器和第六磁场传感器测量的轴向方向分量的总和与能够被第七磁场传感器和第八磁场传感器测量的轴向方向分量的总和构成的第二差值。

如果第一磁性区域和第二磁性区域具有相同的极性，即具有相同的旋转方向，则优选能够确定第一差值和第二差值的总和，以便确定待测量的力和/或待测量的力矩。

如果第一磁性区域和第二磁性区域具有相反的极性，即具有相反的旋转方向，则优选能够确定第一差值和第二差值的差值，以便确定待测量的力和/或待测量的力矩。

根据第二磁性区域和在磁场传感器上的第二四相点，根据本发明的装置还能够包括另外的磁性区域和另外的在磁场传感器上的四相点。因此，在另外优选的实施方式中，机械部件具有一个或多个另外的用于磁化的圆周地绕着轴线延伸的磁性区域，在它们的轴向位置上分别安置另外的四个磁场传感器。这些另外的四个磁场传感器的切向位置和径向位置优选等于第一至第四磁场传感器的切向位置和径向位置。另外的四个磁场传感器优选与第一至第四磁场传感器同样地电路联接和安置，因此能够确定另外的差值。另外的磁场区域的极性能够被任意选择。

其中一个和/或多个磁性区域优选分别具有较高的磁致伸缩性。

如果设有多个磁性区域，则这些磁性区域优选被在轴向上相互间隔地安置，其中，在两个相邻的磁场区域之间分别安置一个磁中性区域。如果存在多于两个的磁性区域，则这些磁性区域优选分别具有彼此之间相同的间距。

机械部件优选具有棱柱或者柱形的外部形状，其中，棱柱或柱形与所述轴线同轴地安置。棱柱或柱形优选是直线形的。所述机械部件特别优选具有直的圆柱形的外部形状，其中，所述圆柱形与所述轴线同轴地安置。在特别的实施方式中，棱柱或柱形设计为锥形的。如果空腔在机械部件的整个轴向长度上延伸，则该机械部件优选具有空心柱形的形状。

机械部件优选通过局部空心的轴、通过空心轴、通过至少局部空心的换挡杆或者通过空心法兰构成。所述局部空心的轴、空心轴、局部空心的换挡杆和/或空心法兰能够被配置用来承载不同的力和力矩，并且例如可以是传感器踏板支座、摆动稳定装置或者施肥控制装置的组件。原则上，机械部件还能够通过完全不同的机械部件类型构成。

至少四个磁场传感器优选分别通过半导体传感器构成。至少四个磁场传感器备选地优选通过霍尔传感器、线圈、福斯特传感器或者磁通门磁力计构成。原则上，只要传感器适合用来测量通过逆磁致伸缩效应引发的磁场的轴向方向分量，还能够使用这种其它的传感器类型。

附图说明

结合附图由下面对本发明的优选实施方式的描述给出本发明的其它细节、优点和改进方案。附图为：

图1示出具有四个磁场传感器的根据本发明的装置的第一优选实施方式；

图2示出具有四个磁场传感器的根据本发明的装置的第二优选实施方式；

图3示出具有四个磁场传感器和两个磁性区域的根据本发明的装置的第三优选实施方式；

图4示出具有八个磁场传感器和两个磁性区域的根据本发明的装置的第四优选实施方式；以及

图5示出具有八个磁场传感器和两个磁性区域的根据本发明的装置的第五优选实施方式。

具体实施方式

图1至图5分别以两个视角示出根据本发明的装置。附图左侧分别包括截面视图，而附图右侧分别包括根据本发明的装置的相应实施方式的俯视图。

图1示出根据本发明的装置的第一优选实施方式。所述装置首先包括以空心法兰01形式的机械部件，它被固定在基体02上。在空心法兰01上作用有力或者力矩，尤其转矩mt。空心法兰01具有空心圆柱形的形状。空心法兰01沿着轴线03延伸，所述轴线03还会构成空心法兰01的空心柱形状的中间轴线。在空心法兰01的内部设有柱形的空腔04。所述空心法兰01由磁弹性的材料构成，所述材料具有磁致伸缩效应。

在空心法兰01的轴向部段内设有第一永磁区域06，它环绕地绕着轴线03延伸，即，涉及一种圆周形的永磁装置。

根据本发明的装置的这种实施方式还包括第一磁场传感器11，第二磁场传感器12，第三磁场传感器13和第四磁场传感器14。磁场传感器11，12，13，14分别设计用于单独测量通过永磁区域06的磁化以及通过力和/或力矩形成的磁场的轴向方向分量。磁场传感器11，12，13，14被安置在还包括轴线03的平面内。磁场传感器11，12，13，14具有相同的、在空心法兰01的这样的轴向部段内部的轴向位置，在该轴向部段内设置永磁区域06。磁场传感器11，12，13，14位于空腔04内。

第一磁场传感器11和第二磁场传感器12被安置在轴线03上，并且直接地位于轴线03上方和下方。第一磁场传感器11和第二磁场传感器12尤其被安置在板件(未示出)的上侧和下侧。第一磁场传感器11和第二磁场传感器12具有技术上与轴线03的最小间距，所述间距对于两个磁场传感器11，12相同。

第三磁场传感器13和第四磁场传感器14被安置在空心法兰01的内表面上。第三磁场传感器13和第四磁场传感器14具有与轴线03相同的间距。第一磁场传感器11和第二磁场传感器12分别与第三磁场传感器13和第四磁场传感器14相反地极化。

图2示出根据本发明的装置的第二优选实施方式。该第二实施方式与图1所示的实施方式的区别仅仅在于，第一磁场传感器11和第二磁场传感器12不被直接地安置在轴线03上，而是与轴线03具有较小的间距。

图3示出根据本发明的装置的第三优选实施方式。该第三实施方式与在图1中所示的实施方式的区别只在于永磁区域的数量和磁场传感器的轴向安置。在图3所示的实施方式中，空心法兰01除了第一永磁区域06外还具有第二永磁区域07，该永磁区域位于空心法兰01的另外的轴向部段内，并且与第一永磁区域06轴向相隔地安置。其余的方面，第一永磁区域06和第二永磁区域07相同。这两个永磁区域06，07尤其具有相同的极性。第一磁场传感器11和第三磁场传感器13具有与图1中所示的实施方式不同的轴向位置，因为第一磁场传感器11和第三磁场传感器13被安置在第二永磁区域07的轴向位置上。

图4示出根据本发明的装置的第四优选实施方式。该第四实施方式与图1所示的实施方式相比区别只在于永磁区域的数量和磁场传感器的数量。在图4所示的实施方式中，第一空心法兰01除了第一永磁区域06外还具有第二永磁区域07，该永磁区域位于空心法兰01的另外的轴向部段内，并且与第一永磁区域06轴向相隔地安置。其余的方面，第一永磁区域06和第二永磁区域07相同，但是这两个永磁区域06，07具有不同的极性。

在图4中示出的实施方式还具有第五磁场传感器15，第六磁场传感器16，第七磁场传感器17和第八磁场传感器18，它们在关于它们的设计以及径向和切向位置方面与第一磁场传感器11，第二磁场传感器12，第三磁场传感器13和第四磁场传感器14相同。但是，第五磁场传感器15，第六磁场传感器16，第七磁场传感器17和第八磁场传感器18具有第二永磁区域07的轴向位置。

因为这两个永磁区域06，07具有不同的极性，所以第五磁场传感器15和第六磁场传感器16分别与第一磁场传感器11和第二磁场传感器12相反地极化。同样地，第七磁场传感器17和第八磁场传感器18分别与第三磁场传感器13和第四磁场传感器14相反地极化。

图5示出根据本发明的装置的第五优选实施方式。该第五实施方式与在图4中所示的实施方式相比区别在于永磁区域的极性和磁场传感器的极化性。在图5中所示的实施方式，第一永磁区域06和第二永磁区域07具有相同的磁性。出于这种原因，第五磁场传感器15和第六磁场传感器16如第一磁场传感器11和第二磁场传感器12同样地被极化。同样地，第七磁场传感器17和第八磁场传感器18如第三磁场传感器13和第四磁场传感器14同样地被极化。

附图标记列表

01空心法兰

02基体

03轴线

04空腔

05–

06第一永磁区域

07第二永磁区域

08–

09–

11第一磁场传感器

12第二磁场传感器

13第三磁场传感器

14第四磁场传感器

15第五磁场传感器

16第六磁场传感器

17第七磁场传感器

18第八磁场传感器