测量力或力矩的装置和机器元件及制造该机器元件的方法
【技术领域】
[0001]本发明首先涉及一种机器元件，其构造用于传递力和/或力矩以及用于测量要传递的力或要传递的力矩。此外，本发明还涉及一种用于测量力和/或力矩的装置，其包括根据本发明的机器元件。本发明此外还涉及一种用于制造根据本发明的机器元件的方法。
【背景技术】
[0002]US 5321985教导了一种磁致伸缩的扭矩传感器，其中，磁致伸缩层施加到轴的外表面上，并且相对于励磁线圈和探测线圈定位。磁致伸缩层可以通过励磁线圈加载以磁场，其中，从磁致伸缩层离开的磁场可以利用探测线圈来测量。作用到轴上的扭矩导致磁致伸缩层中的材料应力，由此，磁致伸缩层的相对磁导率依赖于方向发生改变。
[0003]US 2007/0022809 A1示出了一种用于测量扭矩的设备，其中，由磁致伸缩的材料构成的层构造在轴中。该层包括铝扩散层。
[0004]DE 39 40 220 A1教导了一种用于测量由作用到轴上的扭矩产生的负载的负载传感器。磁致伸缩的元件分两组以锯齿图案施加到轴上。借助扫描线圈引起穿过磁致伸缩的元件的磁通量。
[0005]由US 5052232公知了一种磁致弹性的传送器，其中，机器元件设有两个环绕的磁致伸缩的覆层。覆层具有反向的螺旋形的磁化部(Magnetisierung)。
[0006]由DE 698 38 904 T2公知了一种带有圆形的磁化部的扭矩传感器。磁化部构造在轴的铁磁的、磁致伸缩的材料中，并且圆形地绕轴延伸。
[0007]US 7752923 B2示出了一种磁致伸缩的扭矩传感器，其中，磁绝缘层和位于其上的磁致伸缩层施加到轴上。磁绝缘且导电的层构造为空心柱体，并且挤压到承受扭矩的元件上。
[0008]EP 0 162 957 A1教导了一种在利用布置在轴上的磁材料的磁致伸缩特性的情况下测量轴上的机械应力的方法。在轴与磁材料之间存在没有磁性的承载套筒，其力锁合地(kraftschlilssig)施加到轴上。
[0009]DE 602 00 499 T2示出了一种位置感应器，其带有由两个铁磁圈环构成的磁结构。
[0010]DE 691 32 101 T2示出了一种带有在周边方向上具有磁化部的线的磁图像传感器。
[0011]由DE 692 22 588 T2公知了一种环形磁化的扭矩传感器。
[0012]W0 2007/048143 A2教导了一种带有磁化杆的传感器。
[0013]W0 01/27638 A1示出了一种带有在周边上或沿纵向被磁化的杆的振动传感器。
[0014]由W0 2006/053244 A2公知了一种扭矩传感器，其包括在旋转的杆上的磁化部。磁化部构造在周边上。
[0015]US 8191431 B2示出了一种带有磁化杆的传感器装置。
[0016]由DE 600 08 543 T2公知了一种转换元件，其设置用于使用在扭矩传感器或力传感器中。转换元件单件式地存在于由可磁化的材料构成的轴中，并且具有沿轴向方向取向的磁化部。
[0017]由JP 59-192930 A公知了借助磁场传感器来确定作用在旋转轴上的扭矩，其中，各向异性的磁层施加到轴的表面上。该层本身不是永磁化的，而是通过永磁体沿一个方向磁化的。
【发明内容】
[0018]从现有技术出发，本发明的任务是:在稳定性和使用寿命方面改进根据逆磁致伸缩效应测量力和/或力矩所需的磁化部。尤其是应该改进对抗温度影响、交变磁化和机械影响(例如击打或晃动)的稳定性。剩余磁通密度的值尤其是视为稳定性的量度，在任何情况下，该值在使用寿命内应该仅略微地改变。
[0019]所提到的任务通过根据所附的权利要求1的机器元件来解决，并且通过根据所附的并列的权利要求6的装置来解决，以及通过根据所附的并列的权利要求7的方法来解决。
[0020]根据本发明的机器元件一方面用于传递机器内部的力和/或力矩。力或力矩作用到机器元件上，由此导致机械应力，并且机器元件大多会稍微变形。
[0021]机器元件优选沿优选是机器元件的旋转轴线的轴线延伸。
[0022]根据本发明的机器元件另一方面可以测量要传递的力或要传递的力矩。为此，机器元件具有用于测量要传递的力或要传递的力矩的初级传感器，其具有永磁化部(Permanentmagneti sierung)。由于逆磁致伸缩效应，通过永磁化部以及通过力和/或通过力矩引起在机器元件外部出现的能测量的磁场，其尤其是可以利用由磁场传感器形成的次级传感器来测量。初级传感器，即永磁化部用于将要测量的力或要测量的力矩转换为相应的磁场，而次级传感器可以将磁场转换为电信号。
[0023]永磁化部沿闭合的磁化路径延伸，从而磁化路径是环状的。磁化路径在机器元件的材料中延伸。在磁化路径周围的区域中，机器元件的材料是永磁化的。在该区域之外，机器元件优选是没有磁化的。磁化路径优选至少局部具有关于机器元件的轴线的切向分量。沿磁化路径的永磁化部优选以剩磁方式引入或压入或编码到机器元件中。
[0024]根据本发明，永磁化部构造在机器元件的如下表面层中，尤其是在没有负载力或力矩的状态下，该表面层比机器元件的位于表面层之下的区段具有更大的磁导率。表面层优选比机器元件的所有位于表面层之下的区段具有更大的磁导率。表面层优选仅构造在机器元件的表面的部分区域中。特别优选地，表面层仅构造在永磁化部的区域中。永磁化部优选仅构造在表面层内部。表面层可以布置在机器元件基体上。
[0025]根据本发明的机器元件的主要优点是:表面层以位于那里的闭合的磁化路径确保了稳定的永磁化部。
[0026]表面层优选由磁致伸缩材料构成，从而可以根据逆磁致伸缩效应测量出现的力或出现的力矩。
[0027]沿闭合的磁化路径的永磁化部的特殊的特性是:其在没有负载的状态下不会导致可从外部测定的磁场。因此，在机器元件没有负载力和/或力矩的状态下，永磁化部在机器元件外部优选是磁中性的。但原则上，能测量到微小的或可忽略地小的磁场。
[0028]永磁化部优选通过机器元件体积的磁化的三维的部分区域形成，该部分区域具有闭合绳的形式，其中，磁化路径是绳的中间轴线。位于表面层中的绳优选具有圆形的或者四边形的横截面。横截面也可以是被压平的，例如是被压平的超椭圆或扁平的矩形的形状。绳的横截面沿绳的延伸部优选是不变的。但绳的横截面沿绳的延伸部也可以是变化的。
[0029]磁化路径优选通过在空间中闭合的三维曲线形成。该曲线在机器元件的表面层中延伸，尤其是延伸穿过机器元件的表面层的材料。曲线原则上可以任意地延伸，曲线尤其是也可以不规则地延伸。
[0030]磁化路径或三维曲线优选是轴线对称的。磁化路径或三维曲线因此优选具有至少一个对称轴线。
[0031]表面层也可以构造在机器元件的空腔中。表面层也可以具有不同的层厚。磁化路径可以在表面层的不同的深度中延伸，例如也延伸