DE60105794T2

DE60105794T2 - Magnetischer kraft/drehmoment-sensor

Info

Publication number: DE60105794T2
Application number: DE60105794T
Authority: DE
Inventors: Axel Lutz MAY
Original assignee: Fast Technology AG
Current assignee: Abas Inc
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: IL151755A0; GB0007532D0; US20030115972A1; EP1274974B1; AU2001258300A1; JP4743741B2; WO2001073390A1; DE60105794D1; US7140258B2; JP2003529069A; ATE277341T1; EP1274974A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein ein Magnetfeld unterstützendes Wandlerelement, Wandleranordnungen und ein System, das ein derartiges Element verwendet.
Es gibt ein wachsendes Interesse an Wandleranordnungen, die berührungsloses Abtasten einer Kraft oder eines Drehmoments bereitstellen, das an ein Wandlerelement übermittelt wird, das ein damit verbundenes Magnetfeld aufweist.
Eine Technologie dieses bereits eingeführten allgemeinen Typs ist von Magnetoelastizität abhängig. Ein Wandlerelement, das einem Drehmoment ausgesetzt ist, weist ein darin gespeichertes kreisrundes geschlossenes Magnetfeld auf und strahlt ein Drehmoment abhängiges Außenfeld ab. Beispiele magnetoelastischer Wandler sind in den US 5,351,555, 5,465,627 und 5,520,059 und in den veröffentlichten PCT Anmeldungen WO 99/21150 und WO 99121151 offenbart. Eine Bezugnahme kann ebenso auf die veröffentlichte PCT Anmeldung WO 99/56099 erfolgen, die magnetoelastische Wandler sowohl für eine Drehmoment- als auch Krafterfassung erwähnt. Im Allgemeinen ist Magnetoelastizität als Teil eines breiteren Phänomens einer Magnetisierung zu verstehen, das als Magnetostriktion bekannt ist.
Es ist bekannt, dass ferromagnetische Materialien eine Grössenänderung erfahren, wenn sie einem magnetisierenden Feld ausgesetzt werden. Umgekehrt, wird das magnetisierte Material einer Belastung ausgesetzt und die resultierende Belastung einer Größenänderung ausgesetzt, die wiederum eine Wirkung auf das Magnetfeld aufweist.
Es kann der Fall sein, dass einige der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung das Phänomen einer Magnetostriktion in ihren Betrieb einbeziehen. Was beschrieben werden wird sind Wandlerelemente und Wandlersysteme, die Körper eines Materials einbeziehen, in denen magnetische Bereiche gespeichert sind oder die in der Richtung bzw. Bedeutung ein Magnetfeld unterstützen, dass sie für Felder zu einer Wechselwirkung damit durchlässig sind.
Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung für die Schutz begehrt wird sind in den dieser Beschreibung folgenden Ansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung und ihre Durchführung wird besser aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen:
die 1 eine perspektivische Ansicht eines Wandlerelements darstellt, das gespeicherte magnetische Bereiche gemäß der Erfindung und definierte Antwortachsen aufweist;
die 2 eine Seitenansicht eines Wandlerelements darstellt, die die magnetisierten Bereiche und assoziierten inneren Magnetfelder zusammen mit möglichen Detektoranordnungen erläutert;
die 3 eine Seitenansicht eines Wandlerelements darstellt, die die magnetisierten Bereiche und assoziierten äußeren Magnetfelder erläutert;
die 4 eine Seitenansicht eines Wandlerelements darstellt, die zwei innere Anordnungen eines in 2 gezeigten Magnetfelddetektors zeigt; die 5a–5d Stufen in der Magnetisierung eines Wandlerelements zeigen, die zu dem letztlich magnetisierten Element von 5d führen; die 6a und 6b Magnetvektoränderungen unter Druck- beziehungsweise Spannungskräften zeigen;
die 7a und 7b Nullrichtungen für eine Kraftanwendung an den Magnetbereichen 30 zeigen;
die 8a bis 8e Magnetvektorantworten auf angewendete Kräfte in den P-P und Q-Q Richtungen darstellen;
die 9 eine Ausführungsform zeigt, die die Anwendung eines Magnetkraftwandlers in einer Messdose darstellt;
die 10 die Anordnung eines Magnetfeldsensors in Bezug auf die Magnetzelle in dem Körper eines Wandlerelements darstellt;
die 11 eine Ansicht ähnlich der von 10 darstellt, die die Anordnung einer Sensoranordnung deren Ganghöhe in Bezug zu der der Magnetzellen versetzt ist, zeigt;
die 12 ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung für die Sensoranordnung von 11 darstellt;
die 13a–13b eine Zwei-Elemente Wandlerkörperstruktur zeigen, in der die zwei Wandlerelemente orthogonal zueinander angeordnet sind, zusammen mit Magnetvektordiagrammen bezüglich verschiedener auf den Körper angewendeter Kräfte;
die 14 eine Drei-Elemente Wandlerkörperstruktur zeigt, in der ein drittes Element angeordnet ist, um beim Auflösen von Unbestimmtheiten zu helfen, die sich aus der Struktur von 13a bis 13c ergeben;
die 15 ein Magnetvektordiagramm darstellt, das bestimmte Vektorwinkelwerte zeigt;
die 16 eine graphische Darstellung eines Vektorverschiebewinkels β als eine Funktion des Winkels einer in der x-z Ebene angewendeten Kraft darstellt;
die 17a und 17b basierend auf einer eher ringförmigen als linearen Struktur eine andere Ausführungsform eines Wandlerelements darstellen; und
die 18a und 18b noch eine andere Ausführungsform darstellen, die einstöckige Spulen aufweist, um ein Magnetfeld herzustellen, wobei die 18c stellt eine Variation der Struktur von 18a dar.
Die 1 zeigt ein Wandlerelement 20 in der Form eines rechteckigen Blocks 22. Es wird angenommen, dass der Block 22 aus einem ferromagnetischen Material besteht, das innere Magnetisierungsfelder speichern kann. Das gespeicherte Feldmuster wird nachfolgend beschrieben. Ebenso wird für diese anfängliche Erläuterung angenommen, dass der Block eine beträchtliche Dicke (Richtung P-P), Breite (Richtung Q-Q und Länge (Richtung R-R) aufweist. Diese sind wechselseitig zueinander orthogonal ausgerichtete Achsen, die in einem Vektordiagramm nachfolgend ebenso als y-, x- beziehungsweise z-Achsen bezeichnet werden. Wie nachfolgend weiter ausgeführt werden wird, kann die Erfindung mit Elementen von weit variierender Dicke, wie beispielsweise durch eine sehr dünne Beschichtung eines Magnetaufnahmebands bis zu Körpern eines ferromagnetischen Materials von 1 cm oder größerer Dicke, angewendet werden. Ein Magnetband kann gewöhnlich eine Unterlageschicht von 50 Mikron Dicke aufweisen, auf die eine Magnetbeschichtung von 2,5-5 Mikron aufgebracht wird. Für sofortige Zwecke wird der Block 22 als ein fester Körper mit einer Dicke von wenigen Millimetern angesehen.
Der Block 22 weist ein Hauptpaar parallel abgeordneter, abgewandter Flächen 24, 24' zur Aufnahme einer Belastungskraft in der Richtung von Achse P-P senkrecht zu den Flächen 24, 24' auf. Diese Belastungskraft verursacht eine nachweisbare Änderung in dem Magnetfeldmuster, das mit der in Block 22 gespeicherten Magnetisierung assoziiert ist. Die Änderung in dem Magnetfeldmuster wird durch Mittel nachgewiesen, die nicht in der 1 gezeigt und die nachfolgend beschrieben werden. Der Block 22 weist ebenso ein zweites Paar parallel angeordneter, abgewandter Flächen 26, 26' auf, wobei die Anwendung einer Kraft gegenüber diesen in der Richtung von Achse Q-Q ebenso eine nachweisbare Änderung in dem Magnetfeldmuster verursacht. Die Anwendung einer Kraft gegenüber dem dritten Paar parallel angeordneter, abgewandter Flächen 27, 27', d.h. in der Richtung der Achse R-R, verursacht keine Änderung in dem Magnetfeldmuster aus Gründen, die klarer werden, wenn die gespeicherte Magnetisierung nachfolgend beschrieben werden wird. Es ist klar, dass die Achsen P-P, Q-Q und R-R wechselseitig zueinander orthogonal ausgerichtet sind. Beim nachfolgenden Beschreiben von Vektorbestandteilen des Magnetfelds in Begriffen eines kartesischen x, y Koordinatensystems, ist die x-Achse Q-Q und die y-Achse P-P.
Die in dem Wandlerblock 22 gespeicherte Magnetisierung wird jetzt mit Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 beschrieben. Es ist klar, dass die in den 1, 2 und 3 dargestellte Magnetisierung und die Figuren im Allgemeinen für eine klare Darstellung vereinfacht sind. Die Magnetfelder werden ebenso vereinfacht. Die durch ein Element unterstützbare Beschaffenheit der magnetisierten Bereiche ist, wie auch die mit ihr assoziierten Magnetfelder, von der Dicke abhängig, insbesondere die Verteilung zwischen dem Feld innerhalb des Elements und der außerhalb von ihm. Ein anderer Faktor, der die Leistung beeinflusst, besteht in dem Grad einer magnetischen Sättigung des Materials. Die magnetische Durchlässigkeit eines Materials ist noch ein anderer Faktor.
Beispielhaft kann ein dünnes Element, wie beispielsweise eine Tonbandbeschichtung, sofort gesättigt werden und das auf Grund der Magnetisierung gespeicherte Feld kommt im Wesentlichen außerhalb des Bandes vor. Wie klar werden wird, wirkt die Magnetisierung derart, um geschlossene Magnetfeldschleifen zu erzeugen. In einem dickeren Körper, angenommen einige Millimeter dick, eines ferromagnetischen Materials kann die gespeicherte Magnetisierung und das damit assoziierte Feld hauptsächlich in dem Körper vorkommen. Verschiedene Anordnungen von Magnetfelddetektoren werden nachfolgend beschrieben werden. Die Machbarkeit von einer Anordnung gegenüber einer anderen wird von den relevanten Größen bzw. Abmessungen des Detektors hinsichtlich zu denen des Wandlerelements abhängig sein.
Jetzt wird die Magnetisierung des Blocks 22 in der 1 betrachtet, wobei wie gesagt angenommen wird, dass der Block aus einem ferromagnetischen Material besteht, der eine Dicke von wenigen Millimetern aufweist. Die magnetisierten Bereiche 30 werden als dunkle Bereiche dargestellt, die in Ebenen gebildet werden, die sich parallel zu der R-R Achse erstrecken. Jeder Bereich erstreckt sich wie ein Nord-Süd (NS)-Magnet zwischen den Flächen 24, 24' und liegt mit einem Winkel zu der Richtung (P-P), in der eine gegenüber den Flächen 24, 24' angewendete Belastungskraft durch das Material von Block 22 wirkt. Die Ebene jedes Magnetbereichs 30 ist zu der Richtung der in dem Material induzierten Belastung schief bzw. geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel wird mit 45° zu den Flächen 24, 24' dargestellt. Andere Winkel können gewählt werden, wenn aber die Beschränkung von 90° erreicht wird, kann es zu einer Unbestimmtheit in der Erfassung führen und bei der anderen Beschränkung von 0° (Richtung von Achse Q-Q kann keine Feldänderung für Kräfte in der Richtung P-P erwartet werden. Wie in der 1 zu sehen ist, sind die den Bereichen 30 nächst angrenzenden von entgegengesetzter Polarität. Andererseits alternieren die Bereiche in der Polarität an den Flächen 24, 24'. Es sollten mindestens zwei entgegengesetzte Polaritätsbereiche vorkommen und vorzugsweise drei und die Anzahl kann größer sein als diese.
Die 2 stellt die Magnetisierung des Blocks 22 dar, wie sie sich in der Breitenrichtung der Achse Q-Q ausdehnt. Fünf Bereiche 30 alternierender NS-Polarität werden gezeigt. Jeder Bereich wie beispielsweise 30, weist, wie durch die Pfeile 32 angezeigt, Flussverbindungen bzw. Flussverkettungen 32 zu seinen benachbarten entgegengesetzten Polaritätsbereichen auf. Der Fluss von jedem Pol teilt sich in zwei Verbindungen mit den unmittelbar benachbarten Polen auf. Daher werden die Zellen 43 der geschlossenen Magnetschleifen hergestellt, die in Übereinstimmung mit der Polarität (Richtung einer Flusskreisströmung) der Schleifen als 43p beziehungsweise 43n bezeichnet werden.
Die Zellschleifen 43 werden gezeigt innerhalb des Körpermaterials 22 enthalten zu sein. Unvermeidlicherweise wird eine gewisse Streuung des äußeren Flusses auftreten, der von jedem N und S Magnetpol an den Flächen 24, 24' ähnlich zu dem inneren Fluss abweicht. Es wird selbstverständlich klar sein, dass die Bereiche 30 eine beträchtliche Breite in der Richtung Q-Q aufweisen und die Verteilung eines inneren gegenüber einem äußeren Fluss zu einem gewissen Ausmaß von der Durchlässigkeit des Materials und dem Abstand d zwischen den nächst angrenzenden Bereichen abhängig ist. Es wurde bisher empirisch festgestellt, dass ein Abstand d größer als die Materialdicke t (Dicke in der P-P Richtung) sein sollte und dass ein d/t Verhältnis von ungefähr 2 gute Ergebnisse erbringt. Der Flussweg in jeder Schleife 43 ist winkelförmig gezeigt, wohingegen es klar sein wird, dass die Wege gebogen sind, insbesondere hinsichtlich des Verbindungsflusses 32. Dies ist hinsichtlich der optimalen Anordnung von Magnetfelddetektoren in Übereinstimmung mit dem Konzept einer Magnetfeldvektorverschiebung unter Belastung von Wichtigkeit, wie nachfolgend ausgeführt wird.
Einige der in dem vorstehenden Absatz aufgetretenen Aspekte der Flussverteilung können besser mit Bezugnahme auf 3 gesehen werden. Die 3 zeigt erneut den Wandlerblock, aber das dargestellte Flussmuster passt wahrscheinlich eher zu einer dünnen Schicht oder einem Film 22', da der verbindende Magnetfluss hauptsächlich auf der Außenseite der Schicht 22' liegt. Innerhalb der Schicht 22' wird das gleiche alternierende Muster wechselnd polarisierter NS Bereiche 30 hergestellt. Die gleichen Abstand/Dicke (d/t) Betrachtungen gelten immer noch. In diesem Fall tendieren die Bereiche 30 dazu als getrennte Magnete vorzuliegen, die innerhalb des Materials nicht verbunden sind. Ein sehr dünnes Material wird dazu tendieren eine beträchtliche innere Flussverbindung zu verhindern, wie es die physische Ausbildung des Materials in der dünnen Schicht kann. Folglich wird ein höherer Anteil des Flusses 32' außerhalb der Schicht an seine Flächen 24, 24' angrenzend erzeugt. Wie in der 2 teilt sich der Fluss von jedem Bereich 30 auf, um Magnetschleifen mit benachbarten entgegengesetzt polarisierten Bereichen zu bilden.
Die Herstellung des Flusses außerhalb des magnetisierten Wandlerkörpers wird durch das bis zur Sättigung in den Bereichen 30 magnetisierte ferromagnetische Material erhöht. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass Sättigungsmagnetisierung angewendet wird, wobei die Sensoren innerhalb oder außerhalb des Körpers anzuordnen sind. Beide Beispiele werden nachfolgend beschrieben.
Um den Magnetfluss und insbesondere die Änderungen abzutasten, die aufgrund einer auf das Wandlerelement 20 durch die Flächen 24, 24' wirkenden Belastungskraft entstehen, sind ein oder mehrere Felddetektoren erforderlich. Vorzugsweise sollten sie ausgerichtet sein, d.h. empfindlich auf die Orientierung des Detektors relativ zu dem abgetasteten Feld. Dies wird in vielen bekannten Magnetflusssensoren, einschließlich des Typs vom Sättigungsinduktor, der in der veröffentlichten PCT WO98/52063 offenbart ist und in Halleffektsensoren bereitgestellt. Magnetorestriktive Sensoren können ebenso in einer Richtungsform hergestellt werden. Halleffektsensoren können vorteilhaft sein, da das feldempfindliche Element selbst im Vergleich mit dem Sättigungsinduktortyp einer Vorrichtung sehr klein ist, die gewöhnlich eine Größe von wenigen Millimetern Länge aufweist. Die kleinere Größe des feldempfindlichen Elements kann die Orientierung des Sensors in dem lokalen Magnetfeld unterstützen.
Wie gezeigt werden wird, können Detektoren und Sensoren innerhalb oder außerhalb des Wandlerelements angeordnet werden, obwohl dort, wo die verwendeten Elemente zu dünn sind, lediglich Außensensoren brauchbar sind.
Die Magnetfeldschleifen, die mit dem Wandlerelement assoziiert sind, weisen Variationen in der Magnetfeldstärke und/oder Richtung eines lokalen Magnetvektors auf, der eine Funktion einer Belastung in dem Material ist, die durch die angewendete Kraft in Richtung von Achse P-P verursacht wird. Derartige Änderungen können mit Richtungsfeldsensoren abgetastet werden. Der Sensor kann auf eine Änderung in einer Feldkomponente in einer gegebenen Richtung reagieren, die von einer Änderung in der Richtung des Magnetfeldvektors an dem Anordnungspunkt des Sensors herrührt. Zurückkehrend zu 2 werden Beispiele von Sensoranordnungen gegeben, wobei die Sensoren gewöhnlich durch den Bezugsbuchstaben D bezeichnet werden.
Die 2 stellt drei Sensoranordnungen innerhalb eines Wandlerkörpers und drei außerhalb des Körpers dar, die an die die Belastungskraft aufnehmenden Flächen 24, 24' angrenzen. Die Sensoren werden durch schattierte gestreckte Rechtecke dargestellt. In jedem Fall wird die maximale Antwort des Sensors entlang der Längsachse des Rechecks auftreten. Die Orte und Orientierungen werden durch ein Beispiel veranschaulicht, die weder vorgesehen sind erschöpfend zu sein noch sind die relativ zu den Zellgrößen dargestellten Sensorgrößen dazu vorgesehen praktische Werte anzugeben, insbesondere dort wo kleine Sensorelemente, wie beispielsweise Halleffektvorrichtungen, verwendet werden.
Der Sensor D1 ist angeordnet, um einen magnetisierten Bereich 30 bei einem Winkel zu dem Magnetfeld zu überschneiden. Er ist gezeigt wie er in der Richtung P-P orientiert ist, d.h. mit 45° zu dem Feld. Der Sensor D2 ist in einer Position zwischen zwei Bereichen 30 gezeigt, um den Verbindungsfluss 32 zu überschneiden. D2 ist zu der Fläche 24 parallel orientiert gezeigt, d.h. parallel zu der Achse Q-Q. Die optimale Position von D2 in der Richtung Q-Q kann einiges Experimentieren erfordern. Sie ist von den Materialien, seiner Dicke, Härte und genauen Art der Magnetisierung abhängig.
Die 4 ist eine weitere schematische Darstellung der Art, in der die Sensoren D1 und D2 innerhalb eines Wandlerelements angeordnet sein können, indem sie in entsprechenden sich zu der Fläche 24 öffnenden Vertiefungen 36₁ , 36₂ angeordnet werden. Die Detektoren werden insbesondere als solche vom Sättigungsinduktortyp gezeigt, die eine maximale Antwort entlang der Induktorachse aufweisen. Der Induktor 38₁ von Detektor D1 ist senkrecht zu der Fläche 24 orientiert, der Induktor 38₂ von Detektor D2 ist parallel zu der Fläche 24 orientiert. D1 überschneidet einen Bereich 30, wobei D2 in dem Verbindungsfluss zwischen zwei entgegengesetzte Polarisationsbereiche 30 positioniert ist.
Ein erneutes Betrachten der 2 zeigt einen als D2₁ bezeichneten dritten inneren Sensorort. Dieser ist ähnlich wie der Sensor D2 relativ zu der Fläche 24 positioniert, aber der Ort befindet sich in einer Zone von einem Pol eines magnetisierten Bereichs 30, wo sich der Fluss in entgegengesetzte Richtungen aufteilt. Wie bereits erwähnt, sind die Flusswege in der 3 stark vereinfacht. Die optimale Position für D2₁ könnte sich an einer Seite oder einem anderen des Aufteilungspunktes bestätigen.
Die 2 zeigt ebenso außen angeordnete Sensoren D3, D4 und D4₁. D3 ist in Ausrichtung mit der Achse P-P benachbart zu einem Pol eines magnetisierten Bereichs 30 angeordnet, an dem sich der Fluss zu teilen beginnt (siehe 3). D4 ist in Ausrichtung mit der Achse Q-Q zwischen benachbarten Bereichen in einer Position entsprechend zu D2 angeordnet, und D4₁ ist in Ausrichtung mit der Achse Q-Q zu einem Pol eines Bereichs 30 benachbart angeordnet, an dem sich der Fluss zu teilen beginnt. Er befindet sich in einer zu D2₁ entsprechenden Position. Die optimale Anordnung für die Parameter eines gegebenen Wandlerelements kann experimentell festgestellt werden. Es wird erwartet, dass der Sensor senkrecht bzw. gewöhnlich so nahe an der Fläche 24 wie möglich angeordnet wird, um die stärkste Feldstärke zu empfangen.
Es sollte klar sein, dass die in den verschiedenen Figuren gezeigten Feldmuster stark schematisiert sind. Insbesondere folgen Felder, wenn sie nicht dazu gezwungen werden, keinen scharfen Krümmungen. Der durch eine Sensoranordnung zu erfassende relevante Abschnitt eines Feldes kann klein sein. Ein Sensor, wie beispielsweise ein Sättigungsinduktorsensor kann einen Induktor (Spule) mit einer gewöhnlichen Länge von 4–8 mm aufweisen. Es kann schwierig sein einen derartigen Sensor zu positionieren, um auf einen erwünschen Abschnitt des Feldmusters wesentlich zu reagieren. Er kann einen größeren Abschnitt des Musters abdecken, was zu einem "Verschmieren" seiner Antwort führt oder in einigen Fällen zu einer Tendenz auf entgegenwirkende Feldabschnitte zu antworten. Diesbezüglich weist eine Halleffektvorrichtung einen Vorteil auf. Gewöhnlich beträgt das Sensorelement eines Halleffekt- oder magnetorestriktiven Detektors ungefähr eine Größe von 400 Mikron, so dass es genauer positioniert werden kann, um lediglich auf den erwünschen Abschnitt des Feldmusters zu antworten.
Die bisher beschriebenen Mittel einer Magnetisierung des Wandlerelements werden jetzt mit Bezugnahme auf die 5a–5d beschrieben. Die 5a–5c zeigen Stufen einer Magnetisierung, während die 5d die sich ergebenden magnetisierten Bereiche und den Verbindungsfluss zeigt.
Die 5a bis 5c zeigen die Art, in der die schiefen Bereiche einer Magnetisierung von 1–3 erzeugt werden können. Die 5a zeigt einen rechteckigen Block 22 (er kann eine dünnere Schicht (Film oder Beschichtung) sein) eines ferromagnetischen Materials, das anfänglich in einem nicht magnetisierten Zustand vorliegt. Er weist die vorstehende aufgeführte rechteckige Form auf, die das Paar abgewandter Flächen 24, 24' aufweist. Ein Paar Magnete 40a, 40b werden jeweils mit entgegengesetzten Polen angrenzend an die Flächen 24, 24' angeordnet, die sich einander bezüglich der Flächen diagonal gegenüberstehen. Das in Block 22 angewendete Feld wird durch gestrichelte Linien gezeigt. Es weist eine Hauptachse von 45° in Bezug auf die Flächen auf. Die angewendete Felsstärke sollte geeignet sein eine remanente Magnetisierung in dem Material zu induzieren, wenn die Magneten 40a, 40b wegbewegt werden. Die 5b zeigt die nächste Stufe einer Magnetisierung. Ein remanenter diagonal magnetisierter Bereich 30a bleibt erhalten, nachdem die Magnete 40a, 40b von der Position von 5a zu der von 5b verlegt wurden. Die 5b zeigt die seitlich bewegten (in die Richtung von Achse Q-Q und diagonal angrenzend auf die Flächen 24, 24' angewendeten Magnete, aber mit entgegengesetzter Magnetisierungspolarität. Dies erzeugt einen in der 5c gezeigten entgegengesetzt polarisierten Bereich 30b, wobei die Magnete 40a, 40b zu der nächsten Stufe bewegt wurden, wobei die Polarität zu der von 5a zurück wechselte. Das Verfahren wird so lange wie erforderlich fortgeführt.
Die 5d zeigt die nacheinander magnetisierten Bereiche. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Figuren werden die Bereiche 30 mit einer tatsächlichen Breite (dargestellt durch mehrere Pfeile) gezeigt. Der Verbindungsfluss 32' wird als hauptsächlich außerhalb befindlich gezeigt, was eher zu einer dünnen Schicht (3 und 4) passt, kann aber hauptsächlich innerhalb eines dickeren Blocks, wie in der 2, oder irgendeiner Verteilung eines äußeren oder inneren Flusses zwischen den zweien, enthalten sein. Jeder Bereich 30 erzeugt ein Feld, das sich aufteilt, um Magnetschleifen mit den nächsten angrenzenden Bereichen zu erzeugen. Das jetzt magnetisierte Wandlerelement umfasst magnetisch einen Satz von Zellen 43 mit wechselnder Polarität 43n, 43p, in dem jede Zelle eine Magnetschleife einer gegebenen Polarität eines Feld"kreislaufs" aufweist und jeder Bereich 30 mit zwei entgegengesetzten Polaritätszellen assoziiert ist.
Bevor weiter die Anwendung des Wandlerelements in einem Wandlersystem und verschiedenen Entwicklungen der bisher beschriebenen Grundstruktur beschrieben wird, wird eine gewisse Beschreibung des Konzepts belastungs- (Kraft) abhängiger Magnetvektoren bei dem Betrieb des Wandlerelements gegeben werden.
Die 6a stellt einen Magnetfeldvektor V dar, der in orthogonale x und y Bestandteile auflösbar ist, wobei x und y die Richtungen von Q-Q und P-P Achsen von 1 darstellen. Der Vektor V ist beispielhaft mit einem Winkel von 45° gezeigt, obwohl dies nicht so zu sein braucht. Der Vektorwinkel zu der Horizontalen (x) wird als α (alpha) bezeichnet. Beachte, dass x und y Bestandteile durch geeignet orientierte Richtungssensoren 42a beziehungsweise 42b erfassbar sind. Diese dienen beispielhaft als Sensoren des Sättigungsinduktortyps. Wenn eine Druckbelastungskraft gegenüber den Flächen 24, 24' (1–3) angewendet wird, wird sich die Vektorrichtung ändern oder in Richtung der x-Achse abgelenkt, wie zu einer Position V' gezeigt, so dass sich die erfassten Werte der x und y Bestandteile ändern. Es scheint der Fall zu sein, dass bei einem bewegungslosen (keine Belastung) Vektorwinkel α von 45° die Änderungsrate einer Amplitude der x und y Bestandteile pro Einheit einer Winkelverschiebung (dx/dα und dy/dα) am größten ist. Ist die angewendete Kraft dehnbar, dann wird die Vektorwinkelverschiebung, wie durch den Vektor V' in der 6b gezeigt, in die entgegengesetzte Richtung vor sich gehen. Ein anderer Winkel auf den nachfolgend verwiesen wird, ist der Winkel einer Verschiebung aus dem Ruhezustand (keine Belastung). Dieser Winkel wird im Allgemeinen als β (Beta) bezeichnet.
Aus dieser Ausführung kann geschlossen werden, dass sogar, wenn der Vektor V nicht bei 45° bezüglich der Achsen P-P und Q-Q liegt, es wahrscheinlich vorteilhaft ist den oder jeden Magnetfeldsensor mit 45° zu dem lokalen Magnetvektor anzuordnen.
Die Ausführung des Betriebs des Wandlerelements wurde bisher auf Antworten auf in der Richtung P-P angewendete Kräfte beschränkt. Die Wirkung von in den Richtungen Q-Q und R-R angewendeten Kräften muss ebenso in Betracht gezogen werden.
Das Wandlerelement weist eine Nullantwort gegenüber Kräften auf, die in einer senkrechten Richtung zu einem magnetisierten NS Bereich wirken. Dies wird in der 7a und 7b dargestellt, die einen Stabmagneten NS zeigen, auf den eine Kraft F angewendet wird. Die Kraft in 7b steht senkrecht zu der Ebene der Zeichnung. In der 7b gilt die Nullantwort für irgendeine Orientierung des Magneten NS in der Ebene des Papiers. Daher gibt es in der 1 eine Nullantwort gegenüber den Flächen 27, 2T in die Richtung von Achse R-R angewendeten Kräften. Erneut hinsichtlich der 7a gibt es in dem Magneten eine Magnetvektorantwort auf Kräfte, wie beispielsweise F' und F", die in einem Winkel zu dem Magneten stehen. Wenn F' und F" mit 90° zueinander orientiert sind, dann stellen sie in der Richtung der Achsen P-P beziehungsweise Q-Q zu jedem der Magneten in dem Wandlerelement 20 angewendete Kräfte bereit.
Daher weist das Wandlerelement 20 in den 1–3 eine Magnetvektorantwort auf die Belastung auf, die darin durch Kräfte induziert wurde, die durch die Breite des Elements in der Richtung der Achse Q-Q wirken. In den dargestellten Beispielen, in denen der Neigungswinkel α 45° beträgt, stehen die Kräfte entlang Q-Q ebenso mit einem Winkel von 45° zu den schiefen Ebenen der magnetisierten Bereiche 30, so dass eine Antwort erhalten wird. Dies kann in einigen praktischen Anwendungen zu einem Problem führen, in denen die Kräfte entlang der Achsen P-P und Q-Q unterschieden werden müssen. Dies wird nachfolgend behandelt. An diesem Punkt jedoch wird erklärt werden, wie sich die Richtung einer Neigung der magnetischen Ebenen auf die Verschiebung in dem Winkel eines Magnetvektors bezieht.
Die 8a zeigt einen von einer Seitenfläche, bspw. 27 in 1, gesehenen Wandlerblock 22 mit einem Neigungswinkel der Magnetbereichsebenen 30, der von links nach rechts aufwärts verläuft. Das rechts stehende Magnetvektordiagram steht für den Nichtbelastungszustand an einem Punkt, an dem der Vektor in einem Winkel α von 45° vorliegt. Die 8b stellt aufgrund einer Druckkraft F in Richtung P-P die Änderung in der Richtung des Magnetvektors V dar. Er wird auf V' abgelenkt, um α (wie in der 6a) durch einen Betrag β zu verringern. Die 8c stellt die Änderung in dem gleichen Magnetvektor aufgrund einer Druckkraft F in der Richtung Q-Q dar. Er wird zu V¹ abgelenkt, um α durch einen Betrag β zu erhöhen. Die Magnetvektorverschiebungen stehen in Übereinstimmung mit einer Neigungsänderung der Magnetebenen in Richtung einer zu der Richtung der angewendeten Druckkraft senkrecht stehenden Ebene. In den 8b und 8d werden die schiefen magnetischen Ebenen 30 unter der Druckkraft entlang P-P in Richtung der Horizontalen verschoben. Andererseits kann durch Bewegen der magnetischen Ebenen zu einer vertikaleren Position die Druckkraft entlang Q-Q sichtbar gemacht werden. Es wird klar werden, dass die gezeigte Magnetvektorablenkung eine entgegengesetzte Richtung erhält, wenn die angewendeten Kräfte dehnbar sind.
Ebenso passend mit der Veranschaulichung der Verschiebung in einer ebenen Neigung unter der vorstehend beschriebenen angewendeten Kraft ist, dass eine Kraft F in der R-R Richtung, die senkrecht zu der Ebene der Zeichnung für die 8a bis 8e steht, keine Wirkung zeigt.
Jetzt kann verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Aufmerksamkeit geschenkt werden. In Kürze wird das Wandlerelement 20 mit assoziierten Sensoren als ein Magnetkraftwandler (MFT) bezeichnet.
Die 9 zeigt eine Anwendung des MFT in einer Belastungszelle 46, die in vereinfachter Form gezeigt ist. Das Wandlerelement 20 wird in der Grundkonfiguration von 1 gezeigt. Der Sensoren) ist in der Figur nicht gezeigt. Die Belastungszelle 46 weist ein Paar von Ambossen 48 auf, die größere, parallel angeordnete, Kraft (F) aufnehmende Außenflächen 50 aufweisen und ein Paar parallel angeordneter Innenflächen 52 (Flächen 50 und 52 sind ebenso parallel) zwischen denen das Element 20 angebracht ist, um durch die Flächen 24, 24' einem Druck ausgesetzt zu werden, der der auf die Zelle 46 angewendeten Kraft unmittelbar entspricht. Die Kraft F wird durch breite Pfeile (relativ zu einer Bezugsbasis in der 8) dargestellt, deren Repräsentationsform im Allgemeinen in anderen Figuren verwendet werden wird. Die Ambosse 48 bestehen aus einem nicht magnetischen Material. Sensoren können in Vertiefungen in dem Element 20 und/oder in den Ambossen 48 angeordnet sein. Abhängig von den herzustellenden magnetischen Wegen kann ebenso beabsichtigt sein, dass die Ambosse aus magnetischem Material bestehen, durch die sich die Flussschleifen 43 zumindest teilweise erstrecken.
Das Konzept von Magnetvektorverschiebungen als eine Funktion einer Belastung wird nicht vorgelegt als eine notwendigerweise umfassende Erklärung der Beschaffenheit der Magnetfeldänderungen, die sich in einer Magnetschleifenzelle ereignen. Daher sollte das was vorstehend beschrieben wurde als ein Beitrag zu dem Verständnis der Magnetwirkungen verstanden werden, die dem Betrieb des Wandlerelements zu diesem Zeitpunkt best ehesten zugrunde liegen.
Die Aufmerksamkeit wird jetzt weiteren Ausführungsformen eines MFT zugewendet, mit besonderer Rücksicht auf eine Sensoranordnung. Es ist von Vorteil eine Sensoranordnung mit einer Toleranz eines Verfahrens zu gestalten, die so niedrig wie möglich ist. Vermeidung eines genauen Positionierens wird durch die Tatsache betont, dass ungleich der hierin zur Darstellung verwendeten Zeichnungen die Magnetbereiche offensichtlich nicht sichtbar sind. Eine weitere Betrachtung wird jetzt bevorzugten Sensoranordnungsstrukturen gegeben werden, die mehr Toleranz in der Anordnung von Sensoren bereitstellen, um das außen befindliche Magnetfeld außerhalb eines Wandlerelements festzustellen.
Die 10 stellt einen Querschnitt eines magnetisierten Wandlerblocks 22 dar, wobei das äußere Feld abgetastet werden soll. Die Pfeile 60 zeigen die allgemeine Richtung des äußeren Felds zwischen den Magnetbereichen 30 an, die die Zellen 43p 43n, wie vorstehend beschrieben, festlegen. Die äußeren horizontalen Pfeile 60 wechseln an jeder Fläche 24, 24' in der Polarität und konvergieren und teilen sich abwechselnd an jeder Fläche 24, 24' bezüglich des Auftretens innerer Pfeile 30. Die Belastungskraft (nicht gezeigt) wird gegenüber den Flächen 24, 24' angewendet. Die 10 zeigt einen richtungsempfindlichen, Sättigungsinduktorsensor 62, der zu der unteren Fläche einer schattiert gezeigten Zelle 43p angrenzend angeordnet ist. Der Sensor 62 befindet sich im Allgemeinen in einer Position, die D4 in der 2 entspricht. In Übereinstimmung mit der vorstehenden Ausführung einer Sensoranordnung in der Q-Q Richtung wird angenommen, dass sich der Sensor 62 in einer Position zur optimalen Antwort befindet. Es ist von Belang, dass er sich in einer Position befindet, in der das abgetastete Feld eine einzige Polarität aufweist. Wenn der Sensor eine Zellenganghöhe nach links oder rechts versetzt wurde (angenommen die Zellen besitzen eine gleiche Ganghöhe), dann würde er in dem Einflussbereich eines einzelnen Polaritätsfeldes von einer benachbarten Zelle 43n liegen. Das abgetastete Feld würde jedoch jetzt in der entgegengesetzten Richtung wirken. Wie in Kürze klar werden wird, ist die absolute Richtung des Feldes nicht von Signifikanz zur Signalverarbeitung von 12. Wenn angenommen aufgrund einer falschen Anordnung der Sensor eine halbe Zellenganghöhe von dem gezeigten Ort entfernt angeordnet ist, um so einen der Bereiche 30 zu überbrücken (Überbrücken eines Paars entgegengesetzt ausgerichteter Pfeile in der 10), so würde er gleichen aber entgegengesetzten Feldbestandteilen aus einem angrenzenden Paar von Zellen 43p und 43n ausgesetzt sein, wodurch eine Null- oder nahezu Nullausgabe erzeugt wird. Es wird klar sein, dass die Einzelsensorvorrichtung relativ zu dem Wandlerblock 22 mit Vorsicht positioniert werden muss, wenn ein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden soll.
Die Aufgabe einer Sensoranordnung kann stark durch die Verwendung einer Anordnung von Sensorvorrichtungen erleichtert werden, die entlang von mindestens einer der Flächen 24, 24' mit einer zu der von der Zelle 43 verschiedenen Ganghöhe beabstandet ist. Das bedeutet, dass die Anordnung als eine Einheit mit einer Sensorvorrichtungsganghöhe, wie sie jetzt beschrieben wird, ausgestaltet ist. Die Absicht besteht darin, besser sicherzustellen, dass sich eine der Sensorvorrichtungen in einer optimalen Position zu einer angrenzenden Zelle befindet. Dieser Vorschlag wird durch die 11 dargestellt, in dem der Block 22 vier Zellen 43 mit wechselnder Feldpolarität aufweist. Jeder der äußeren Feldpfeile 60 wird angesehen drei Abschnitte aufzuweisen, die wie es der Fall sein kann, durch horizontal angrenzende Abschnitte NNN oder SSS umfasst sind. An der unteren Fläche 24' sind diese Abschnitte durch drei unterschiedliche Schattierungen 64a, 64b, 64c angezeigt. Es wird klar werden, dass die Schreibweise NNN und SSS keine Magnetpole für einzelne Zellen anzeigt, sondern die Richtung des äußeren Magnetfelds anzeigt, das an den relevanten Abschnitt der Zellfläche angrenzt. An die untere Fläche 24' dicht angrenzend sind drei horizontal beabstandete sättigbare (d.h. in der Q-Q Richtung) Induktorsensorvorrichtungen 62₁ , 62₂ und 62₃ angebracht. Ihr offensichtlicher Abstand von der Fläche 24' in der 12 besteht lediglich zur Annehmlichkeit einer Darstellung. Wenn angenommen wird, dass jede Zelle an der Fläche 24' drei Einheiten in der Q-Q Richtung lang ist, d.h. eine Zellenganghöhe von drei Einheiten, dann werden die Sensorvorrichtungen mit einer höheren Ganghöhe, angenommen vier Einheiten, beabstandet. Wie dargestellt, weist jede Sensorvorrichtung einen sättigbaren Induktorkern auf, der eine Abtastlänge von drei Einheiten besitzt, was aber zum Erhalt des wünschenswerten Ergebnisses nicht wesentlich ist. Die Sensorvorrichtungen 62₁ , 62₂ und 62₃ werden als feste Anordnung (deren Details nicht gezeigt sind) angebracht, um so wie eine einzelne Einheit beweglich zu sein.
Der untere Teil der 11 wiederholt die NNN, SSS Reihenfolge an der Fläche 24', ist aber bei 66a, 66b, 66c schattiert, um anzuzeigen welcher der Feldpfeilsegmente 64a, b, c, auf welche jeweilige Sensorvorrichtung antwortet. Die Vorrichtung 62, ist vollständig mit einem Feldpfeil 60 einer gegebenen Polarität ausgerichtet, bspw. NNN. Die Vorrichtung 52₂ ist durch vier Einheiten versetzt und überbrückt teilweise eine 43n und eine 43p Zelle, die durch zwei Feldpfeilabschnitte, SSN, beeinflusst werden sollen. Die Vorrichtung 62₃ überbrückt ebenso zwei Zellen, die durch zwei Feldpfeilabschnitte, NSS, beeinflusst werden sollen. Daher werden die Vorrichtungen 62₂ und 62₃ zu einem gewissen Grad einer Löschung der darauf wirkenden Felder ausgesetzt. Es wird eingesehen werden, dass die 11 in der Annahme idealisiert ist, dass jeder Feldpfeil in drei Abschnitte teilbar ist, in denen jeweils die Feldstärke gleich ist.
Das Versetzen der Sensorvorrichtungsganghöhe hinsichtlich der Zellenganghöhe jedoch erleichtert erheblich die Anordnung der Einheit, die die Vorrichtungen 62₁ –62₃ entlang der Fläche 24, 24' umfasst. Wenn die Sensoranordnung eine Einheit nach links, wie in der 11, versetzt wurde, dann würde die Vorrichtung mit einem Feldpfeil SSS ausgerichtet sein, wenn die Versetzung eine Einheit nach rechts beträgt, dann richtet sich 62₃ mit einem Feldpfeil SSS aus, für eine Versetzung von zwei Einheiten nach rechts wird sich die Vorrichtung 62₂ mit einem Feldpfeil NNN ausrichten. Es wird klar werden, dass eine unterschiedliche Anzahl von Zellen und Sensorvorrichtungen mit der Verwendung des unterschiedlichen Versetzens ihrer entsprechenden Ganghöhen angewendet werden können, um so das vorstehend erklärte Ziel zu erreichen.
Fortfahrend mit dem Vier-Zell Drei-Sensorbeispiel, zeigt die 13 schematisch wie die drei Sensorvorrichtungen 62₁ ,62₂ und 62₃ in eine Wandlersignalaufbereitungs- und Erfassungsschaltung eingebaut werden können. Jeder sättigbare Induktor und seine assoziierte Signalaufbereitungsschaltung 68 bilden eine Schaltung der Art, die in der vorstehend erwähnten WO98/52063 beschrieben ist. Die einzelnen Signalaufbereitungsschaltungen sind durch entsprechende Schaltungen 72 mit ihren Ausgaben wie ihren Eingängen mit einer Summationsschaltung 60 verbunden, bspw. Ganzwellengleichrichterbrücken oder äquivalenten Vorrichtungen, durch die die Höhe der Signalaufbereitungsausgabe auf die Summationsschaltung 70 ohne Rücksicht auf seine Polarität angewendet wird, die ohne Rücksicht auf die Nettofeldpolarität auf einen gegebenen sättigbaren Induktorsensor wirkt.
Der Betrieb der Summationsschaltung 70 besteht darin, eine Ausgabe bereitzustellen, die die Summe der durch jedes der Wandlerelemente der Drei-Sensoranordnung abgetasteten nächsten Felder darstellen. Die folgenden Erfordernisse sollten erfüllt werden:
die Magnetfeldsensoren 62a, b, c sind als eine Einheit korrekt ausgerichtet, d.h. mit der horizontalen Achse Q-Q in 11 ausgerichtet, und
das Abstandsverhältnis zwischen dem Abstand der Magnetwandlerzelle und dem Abstand der Sensorvorrichtung (der Staffler bzw. the stagger) ist über die gesamte Anordnung konstant.
Es wurde festgestellt, dass die Summationsschaltung von der 12 eine konstante Ausgabe von den kombinierten Signalen der drei Sensoren bereitstellt, die unabhängig von der Positionierung der Sensoranordnung in der horizontalen (Q-Q Richtung ist.
Die aufgeführten Ausführungsformen basieren daher bisher auf dem grundlegenden Wandlerelement von der 1. Dieses weist mehrere Magnetbereiche auf, die zu der Richtung einer induzierten Belastung geneigt sind, die in dem Körper des Elements durch eine Kraft, eine Druck oder Dehnungskraft, die über ein Paar entgegengesetzter Flächen des Körpers angewendet werden. Vorzugsweise sind solche Flächen parallel, wie beispielsweise 24, 24' in der 1. Während eine rechteckige Blockform passend zur Herstellung und Verwendung geeignet ist, wird es klar sein, dass die Form erheblich variiert werden kann, vorausgesetzt, dass die grundlegenden Erfordernisse erfüllt sind. Das Wandlerelement bleibt jedoch gegenüber Kräften empfindlich, die in der Richtung einer Achse, wie beispielsweise Q-Q in der 1, entstehen können, die ebenso die geneigten Magnetbereiche überschneiden. Es werden jetzt Ausführungsformen beschrieben, in denen Kräfte berücksichtigt werden, die entlang der Q-Q Achse angewendet werden. Beim Betrachten dieser Ausführungsformen ist die gegebene Erklärung einer Magnetvektorverschiebung mit Bezug auf die 8a und 8b passend.
Eine erste komplexere Ausführungsform ist eine, in der, wie beispielsweise in der 1 gezeigt, zwei Wandlerelemente senkrecht zueinander angebracht sind. Sie können in einem einheitlichen Körper oder getrennt ausgebildet sein. Wie vorstehend erwähnt, können sie Teil einer Struktur sein, in der die zu erfassende Belastung entwickelt wird. Die jetzt zu beschreibende Ausführungsform verwendet einen einheitlichen Körper.
Die 13a–13c zeigen ein derartiges Wandlerelement, in dem zwei orthogonal angeordnete Wandlerelemente 120a und 120b in einem einzelnen rechteckigen Körper 122 aus ferromagnetischem Material ausgebildet sind. Der Block 122 weist ein Paar eine Kraft aufnehmender Flächen 124, 124' auf, zwischen welchen geneigte Magnetbereiche, wie in der 1 gezeigt, gebildet werden. Zur Klarheit einer Darstellung werden diese Bereiche wechselnder Polarität, dort wo sie an der Fläche 124 erscheinen, einfach durch dunkle Linien 130 angezeigt. Jedes Wandlerelement 120a und 120b wird die vorstehend ausgeführte Magnetzellstruktur (alternierende Zellen 43n, 43p) bereitstellen. Der Körper 122 weist ebenso zweite und dritte Paare entgegengesetzter Flächen 126, 126' beziehungsweise 127, 127' auf. Jedes Wandlerelement weist mindestens einen mit ihm assoziierten entsprechenden Sensor (nicht gezeigt) auf, um eine Ausgabe bereitzustellen, die das festgestellte Magnetfeld darstellt.
Der Betrieb der zwei Wandlerelemente wird weiter mit Bezugnahme auf die 13a-13c erklärt, wobei jede von diesen den Block 122 mit der durch breite Pfeile F angezeigten angewendeten Kraft zeigt. Es wird angenommen, dass die über die Flächen 124 und 124' angewendete Kraft auf beide Wandler gleichmäßig angewendet wird. Die Achsenbezeichnungen P-P, Q-Q und R-R, wie sie in der 1 vorkommen, werden bezüglich des Elements 120a angewendet. Dies ist nicht die auf das Element 120b anzuwendende Reihenfolge. Zur Zweckmäßigkeit werden die Achsenbezeichnungen x, y und z für die gesamte Anordnung verwendet, die zu den Achsen Q-Q, P-P beziehungsweise R-R für Element 120a als gleichwertig angesehen werden. Ebenso zeigen die 13a–13c Vektordiagramme für die angezeigten Kräfte F. Die Vektordiagramme beziehen sich auf der linken Seite auf Element 120a und auf der rechten Seite auf Element 120b. Es wird angenommen, dass der Ruhe- (keine Kraft) Vektor V bei 45° liegt.
Die 13a zeigt eine angewendete Kraft F in der y Richtung zwischen den Flächen 124 und 124'. Beide Elemente antworten gleichwertig, so dass der Magnetvektor V durch β in die Richtung der x Achse, wie durch V' gezeigt, verschoben wird. Das Detektorsignal von beiden Elementen kann für eine Krafterfassung verwendet werden oder die beiden können kombiniert werden. Die 13b zeigt die Antwort auf eine Kraft in der x-Richtung. Sie beeinflusst das Element 120a, um den Magnetvektor durch β nach V' zu verschieben, d.h. in Richtung der y-Achse, aber hinsichtlich Element 120b liegt sie äquivalent in der R-R Achse von der 1, so dass dort keine Vektorverschiebung stattfindet. Andererseits befindet sich in der 13c die Kraft F in der z-Achsenrichtung entlang der R-R-Achse von Element 120a, so dass keine Vektorverschiebung erfolgt, aber der Vektor für das Element 102b, wie durch V' angezeigt, in Richtung der y-Achse verschoben wird.
Sind Kraftbestandteile in der x-y Ebene vorhanden, d.h. entlang beiden der y- und der x-Achse, dann wird das Element 120b auf den y-Achsenbestandteil Fy antworten, aber nicht auf den x-Achsenbestandteil Fx. Das Element 120a wird auf den Fy Bestandteil antworten und ebenso auf den x-Achsenbestandteil Fx. Diese zwei Bestandteile bewirken, dass eine Vektorverschiebung β in entgegengesetzten Richtungen erzeugt wird. Wenn die Übertragungsfunktion von jedem Element bekannt ist, dann können die Fx und Fy Bestandteile aufgelöst werden. Eine ähnliche umgekehrte Situation entsteht für einen Kraftvektor in der x-z-Ebene.
Sind die Kraftbestandteile Fx und Fz in der x-z Ebene vorhanden, dann können die orthogonal angeordneten Elemente 120a, 120b sie auflösen, wobei aber Unbestimmtheit entsteht. Es wird festgestellt, dass in der x-y und der y-z Ebene lediglich ein Wandlerelement auf Kräfte der y-Richtung antwortet, wobei das andere auf Kräfte antwortet, die Bestandteile in den beiden y und x oder y und z Richtungen aufweisen, wie es der Fall sein kann. In der x-z Ebene jedoch antworten beide Wandler auf Kräfte, die Bestandteile in sowohl den x als auch z Richtungen aufweisen.
Es ist ersichtlich, dass sich die Antwort in der x-z Ebene in 90° Intervallen wiederholt. Unbestimmtheit entsteht, wenn eine Kraft mit 45° in beiden der zwei Richtungen auf die x und die z Achse angewendet wird. Die gleiche Antwort der zwei Wandlerelemente 120a, 120b kann in diesem Fall ebenso durch eine einzige in der y-Richtung angewendete Kraft erhalten werden, die jedes Wandlerelement gleichermaßen beeinflusst.
Eine Auflösung dieser Unbestimmtheit kann unter Verwendung der Drei-Wandlerelementstruktur von 14 erhalten werden, in der ein drittes Wandlerelement 120c mit einem Winkel zu den Elementen 120a und 120c eingefügt wird. Es ist geeigneterweise mit 45° zu beiden ausgerichtet, von der gleichen Struktur und weist eine identische Detektorform auf. Das bedeutet, dass alle drei Wandler die gleichen Übertragungsfunktionen bezüglich ihrer eigenen individuellen Orientierungen aufweisen. Die 14 zeigt eine mögliche Art, in der die drei Wandlerelemente in einem einzelnen Körper ausgebildet werden. Sie teilen die gleiche P-P Richtung, aber die lokalen Q-Q und R-R Richtungen von Element 120c betragen 45° zu denen von jedem der Elemente 120a und 120b. Durch Verwendung genauer Rechenverfahren kann es möglich sein lediglich zwei Wandlerelemente zu verwenden.
Vor einer weiteren Betrachtung der Verwendung eines dritten Wandlerelements, wird auf die 15 Bezug genommen, die ein Magnetvektordiagramm darstellt, das auf irgendein Wandlerelement anwendbar ist. Angenommen, dass für eine feste gegebene Kraft in der Q-Q, R-R Ebene für das in Frage stehende Element die maximale Antwort von einem Wandlerelement in einer Winkelverschiebung (weg von dem 45° Ruhevektor V) von β₁ besteht, während die Winkelverschiebung in Antwort auf die Kraft, die mit einem Winkel von 45° auf die maximale Antwortachse für das Element (d.h. die Q-Q Achse wie für das Element lokalisiert) wirkt, einen geringeren Winkel β₂ beträgt. Der allgemeine Verschiebungswinkel β, der als eine Funktion der Richtung der Kraft über den 180° Bogen aufgetragen wird, ergibt etwas der Art, wie in der 16 gezeigt wird. Die Verschiebungswinkelantworten der Elemente 120a und 120b werden zwischen 0 (null) und β₁ variieren und die Kurven werden räumlich um 90° getrennt in der x-z Ebene liegen. Mit sowohl 45° als auch 135° werden die Antworten mit bzw. bei β₂ gleich. Es wird klar werden, dass irgendein Paar entsprechender β Werte für die Elemente 120a, 120b, bspw. m und n, über den 180° Bogen wiederholt werden. Die Unbestimmtheit kann durch die Antwort des dritten Elements 120c aufgelöst werden, das bei 45° räumlich zwischen den anderen zwei liegt. Daher liegt beispielsweise bei 45° und 135° die Antwort von Element 120c bei einem Maximum β₁ beziehungsweise einem Minimum 0 (Null), um die Unbestimmtheit aufzulösen, die andernfalls entstehen würde. Der Wert der 120c Kurve wird ebenso verwendet, um die Unbestimmtheit der m-, n-Werte aufzulösen. Folglich kann die erforderliche Richtungsinformation für die angewendete Kraft durch Bearbeiten von Detektorsignalen der drei Wandlerelemente erhalten werden. Dies kann gewöhnlich unter Verwendung einer Normalisierung durchgeführt werden, um die tatsächlich kraftabhängigen β Werte herauszunehmen.
Die vorstehende Erwägung wird für Erklärungszwecke gegeben. Sie wird nicht als vollständig definitiv vorgelegt. Es wird angenommen, dass der Wandler innerhalb seiner elastischen Grenzen und ohne Hysterese gut betrieben werden kann. Tatsächlich wird erwartet, dass der Bereich von β in absoluten Begriffen klein ist. Die Form der Antwortkurven von 16 können variieren. Beispielsweise können sie linearer sein als dargestellt, würden aber die Eigenschaft einer Null β bei zwei Winkelwerten beibehalten, bspw. 0° und 180° für die 120b Kurve und steigend auf ein Maximum zwischen diesen, bspw. bei 90°. Bei jeder Antwort liegt das Maximum bei 90° zu dem Minimum.
Es sind andere Variationen von Magnetzellen innerhalb einer MFT-Struktur möglich. Die 17a und 17b zeigen einen Querschnitt und einen Grundriss eines Wandlerblocks 222. Eine Magnetzelle 243, die zwischen magnetisierten Bereichen festgelegt ist, erstreckt sich zwischen den Flächen 224 und 224'. Sie weist eine kreisförmige Form auf- wobei andere ringförmige Formen ausführbar sind. Die Form verjüngt sich, bspw. bei 45°, von einer Fläche 224 zu der anderen 224', so dass in irgendeinem diametrischen Abschnitt durch die Zelle 243 eine, wie in der 17a abgebildete, Magnetzelle vorkommt, die ein Paar entgegengesetzter abfallender Magnetzellenbereiche 243a, 243b aufweist. Der Block 222 kann tatsächlich wie vorstehend erwähnt irgendeine Dicke aufweisen – reichend von einer dünnen Beschichtung bis zu einer beträchtlichen Dicke von 1 cm und mehr. Die äußeren Felder von Zellenbereichen 243a, 243b (deren Größe relativ zu irgendeinem inneren Feld, wie vorstehend ausgeführt von verschiedenen Parametern abhängig ist) sind als Teil einer geschlossenen Schleife eines Magnetfelds an den äußeren Flächen 224, 224' entgegengesetzt ausgerichtet, wie durch die gestrichelten Pfeile gezeigt. Das Verhältnis von innerem und äußerem Fluss, der die Schleife schließt, wird von den Faktoren abhängig sein, die mit Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wurden. Die Zelle wird auf vertikal (senkrecht zu der Ebene von 17b) angewendete Kräfte oder horizontal angewendete Kräfte (in der Ebene von 17b) antworten. Die kreisförmige Anordnung von der 17a und 17b ermöglicht es eine Antwort auf vertikale Kräfte oder horizontale Kräfte zu erhalten. Die Magnetfelddetektoren werden nicht in der 17a und 17b gezeigt, aber sie können in Übereinstimmung mit der vorstehend gegebenen Lehre angeordnet werden und beispielsweise solche in Verbindung mit der 2 beschriebenen sein.
Die Praktikabilität der Erfindung wurde in Bezug auf den Nachweis und die Erfassung linearer Kräfte beschrieben. Die Praktikabilität der Erfindung weist jedoch ebenso eine Anwendbarkeit auf, in der ein Drehmoment erfasst werden soll. Ein Wandlerelement der vorstehend beschriebenen An, kann in einem System angewendet werden, dass einem Drehmoment ausgesetzt ist, wobei das Wandlerelement einer Drehmoment abhängigen Belastung ausgesetzt ist. Eine spezifischere Anwendung besteht angenommenen sich drehenden Wellen darin, ein flexibles Wandlerelement der Erfindung daran zu binden, bspw. ein Band um eine Welle, d.h. um den gesamten Umfang oder einen Bereich von diesem, so dass es dem in der Welle entwickelten Drehmoment ausgesetzt ist. Detektormittel können an der Welle angebracht werden, obwohl mit der für nicht berührende Sensoren normalen Priorität, wobei die letzteren mit einer Signalbearbeitung verwendet werden können, um das gewollte Drehmoment-darstellende Signal von den mit der Wellenrotation zusammenhängenden Bestandteilen zu trennen.
Durch Anwenden des vorstehend beschriebenen physikalischen Phänomens auf verschiedene Formen magnetisierbarer Wandler, zusammen mit der Verwendung geeigneter Sensoren, können die vorstehend beschriebenen Prinzipien angewendet werden in:

Belastungszellen Beschleunigungsmesser

Drehmomentsensoren mechanische Leistungssensoren

Drucksensoren Materialdiagnostik und

Analyse

Biege- und Schersensoren

Kraftsensoren.
Eine besondere Kraftanwendung besteht darin, die Kraft zwischen einer Tragfläche, bspw. einem Flugzeugflügel, und einem Fluid, bspw. eine über die Tragfläche strömende Luft zu erfassen. Folglich ist bei einer Sichtbarmachung einer Erfassung in der P-P Richtung von 2 die Fläche 124' in Kontakt mit der Tragfläche angebracht, wobei die Fläche 124' dem über die Tragfläche strömenden Medium ausgesetzt wird.
Die Wandlerelemente wurden bisher als unabhängige Körper beschrieben, die an oder in einer Struktur angebracht werden können, in denen eine zu erfassende Belastung entwickelt wird. Eine Ausführungsform eines Wandlerelements der Erfindung kann jedoch, in einigen Fällen ein integraler Teil einer Struktur sein und könnte beispielsweise in einem vorhandenen Strukturteil ausgebildet werden, worin das Teil aus einem ferromagnetischen Material besteht. Beispiele für eine derartige Verwirklichung könnte ein ferromagnetisches Strukturteil eines Gebäudes oder der Rumpf eines Gefäßes sein, wobei der Rumpf aus einem ferromagnetischen Material besteht. Das Wandlerelement kann selbstverständlich als ein integraler Teil einer Struktur eingebaut werden.
Für einen verlässlichen Betrieb ist es wichtig zu wissen, dass in praktischen Anwendungen andere Faktoren beachtet werden müssen, die die Verwendung eines besonderen Wandlerelements nachteilig oder beschränkend beeinflussen, namentlich:

1. Hohe Temperaturen nahe dem Curiepunkt. Der Curiepunkt ist eine Temperatur bei der das Material des Elements alle seine gespeicherten magnetischen Informationen verliert. Grundsätzlich wird das Wandlerelement nicht-magnetisch. Für die meisten Materialien, die in Industrieanwendungen verwendet werden, liegt der Curiepunkt in dem Bereich von 600 Grad C und darüber (>1000 Grad C). Wenn jedoch der Curie punkt erreicht wird, beginnt sich der Verlusteffekt des Magnetspeichers auf das Wandlerelement auszuwirken. Das Wandlerelement sollte gut unterhalb des Curiepunktes, bspw. < 300 Grad C gehalten werden.
2. Starke Magnetfelder über der Magnetisierung oder Entmagnetisierung. Da magnetische Energie benötigt wird, um das Wandlerelement zu magnetisieren, kann magnetische Energie die gewollten Effekte des Wandlers schädigen oder sogar zerstören. Abhängig von dem Wandlerelementmaterial (Legierungsverbindung, seine Härtegrad und die Zeit, die der Wandler störenden Magnetfeldern ausgesetzt ist) wird eine spezifische Menge von Magnetfeldstärke benötigt, um die in dem Wandlerelement gespeicherte magnetische Information entweder zu speichern oder auszuradieren. Für viele Materialien liegt der minimale Schwellenwert über 50 Gauss oder mehr. Ein niedrigerer Wert kann jedoch einen Schaden bewirken, wenn der Wandler diesen Werten für eine sehr lange Zeit ausgesetzt wird und/oder mechanische Belastungen gleichzeitig angewendet werden.
3. Eine übermäßige mechanische Kraft, die auf molekularem Niveau andauernde Änderungen in der physikalischen Struktur des Wandlerelements verursacht. Die jetzt vorgeschlagene Abtasttechnologie scheint sehr empfindlich gegenüber Änderungen der Kristallstruktur des Wandlerelementmaterials zu sein. Nachdem das Element erzeugt wurde (magnetisch programmiert), werden irgendwelche permanenten Änderungen des Kristallstruktur innerhalb des aktuellen Wandlerbereichs möglicherweise zu einer Änderung des erfassten Magnetsignals führen, und
4. Ein elektrische Strom fließt durch das Wandlerelement. Der durch ein leitfähiges Material fließende elektrische Strom wird im Verhältnis zu der elektrischen Stromstärke und der Querschnittsfläche des leitfähigen Materials durch das der Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugen. Wenn dieses Magnetfeld einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, dann kann der magnetische Zustand des Wandlerelements geändert oder gelöscht werden.

Die jetzt vorgeschlagene Technologie kann auf irgendein Material angewendet werden, das magnetisiert werden kann oder erfassbare Interaktionen mit Magnetfeldern zeigt. In dem Fall eines selbsterhaltenden Wandlersystems, muss das verwendete Material einen Magnetspeicher aufweisen, d.h. das Material sollte nachdem es magnetisiert wurde seine Magnetfeldstärke permanent behalten.
Wird die jetzt vorgeschlagene Technologie angewendet, dann sollte das Wandlerelementmaterial haltbare und verlässliche mechanische Eigenschaften aufweisen.
Viele Stähle werden so lange sie zusätzliche Unreinheiten einschließen in diese Kategorie passen. Heutige Erzeugnisse zeigen, dass zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, wenn Nickel zu einem niedrigen Prozentsatz enthalten ist. Zu viel oder zu wenig Nickel wird zu einem nicht-linearen Erfassungssignal führen oder sogar einen großen Hystereseeffekt erzeugen. Zugabe von Kobalt wird die Sensorhaltbarkeit und die Restmagnetisierung der gespeicherten Magnetfelder erhöhen. Der genaue Prozentsatz von jeder dieser Unreinheiten kann beträchtliche Wirkungen auf die schließliche Wandlerleistung ausüben.
Um die möglichen Wirkungen einer Erfassungshysterese zu verringern, kann das Wandlerelement vor dem Magnetisierungsvorgang gehärtet werden.
Eine unterschiedliche Verwirklichung der Erfindung wird in den 18a und 18b gezeigt. Es ist eine Verwirklichung, die die in der Halbleiter- und Integrierten Schaltungsfeldern bekannten Technologien ausnutzt. Die 18a stellt einen Querschnitt einer integrierten Sensorvorrichtung dar und die 18b stellt einen Grundriss dar, der die Anordnungen von in der Vorrichtung verwendeten Spiralspulen darstellt.
In der 18a umfasst die Vorrichtung 300 einen Sandwich eines ferromagnetischen Kernbereichs 310 (durch gestrichelte Linien angezeigt), der zwischen zwei flachen Spiralspulen 312 und 314 angeordnet ist, die auf beabstandeten Substratkörpern 316 beziehungsweise 318 gestützt werden. In der 18a wird die erste Spiralspule 312 auf einem Substratbereich 316 ausgebildet und wird mit einer Isolatorschicht 320 überzogen, die über der Substratfläche aufgebracht wird. Diese wird wiederum durch einen beispielsweise 4–8% Nickel enthaltenden ferromagnetischen Film 322 überzogen. Eine andere Schicht 324 eines isolierenden Materials wird über dem Film aufgebracht, um sie von dem Film 322 elektrisch zu isolieren. Das Isolationserfordernis hängt von der Leitfähigkeit des Films ab. Auf der Isolationsschicht 324 wird seitlich verschoben von der Spule 316 die zweite Spiralenspule 314 aufgebracht, wie in dem Grundriss von 18b zu gesehen ist, so dass durch eine geeignete Erregerpolarität der Spulen ein Magnetweg 326 durch den ferromagnetischen Film 318 in dem Kernbereich 310 des Films hergestellt wird. Das induzierte Magnetfeld und der Kernbereich befinden sich in einem Winkel zu den Filmflächen, vorzugsweise einem 45° Winkel, wie für die vorstehenden Ausführungsformen beschriebenen. Die obere Spule 314 wird wiederum durch den zweiten Substratbereich 318 überschichtet. Die äußeren Substratflächen 328a, 328b definieren Belastung F aufnehmende Flächen bei 45° zu dem zwischen den Spulen 312 und 314 hergestellten Magnetfeld.
Ebenso in der Struktur eingebettet befindet sich eine an den Kernbereich 310 angrenzende Sensorvorrichtung 330, um auf einen dadurch ausgestrahlten Magnetfluss zu antworten. Eine Halleffektvorrichtung ist wegen seiner vorstehend erwähnten kleinen Größe für diesen Zweck besonders geeignet.
Der Betrieb der Struktur ist wie folgt. Die Spulen 312 und 314 werden geeignet erregt, um entgegengesetzte Pole bezüglich des Films 318 bereitzustellen und dadurch ein Magnetfeld (326) in dem Kernbereich 310 herzustellen. Die anfängliche Erregung wird unter Zuständen mit keiner Belastung ausgeführt oder mit einer bestimmten über die Flächen 328a, 328b angewendeten Belastung. Die anfängliche Erregung wird ausgeschaltet und eine Referenzausgabe wird bei keiner Belastung oder einem bestimmten Belastungszustand von dem Sensor 330 erhalten. Die zu erfassende Belastung wird dann angewendet und die Ausgabe des Sensors 330 wird erneut erfasst, um den angewendeten Belastung darstellenden Wert zu erhalten.
Ein alternatives Erfassungsverfahren besteht darin, die zwei Spiralspulen in Serie zu schalten, um mit dem Kernbereich 310 des Films den Sättigungsinduktor L einer Sensorvorrichtung der Art bereitzustellen, die in der vorstehend erwähnten WO98/52063 beschrieben ist. Die Serienverbindung wird hergestellt, so dass die Spulen eine entgegengesetzte magnetische Polarität hinsichtlich des Kernbereichs 310 aufweisen. Diese Alternative erscheint dadurch attraktiv, dass die Sensorschaltung selbst in integrierter Schaltungsform verwirklicht werden kann.
Die beschriebene Struktur kann zusätzlich Paare von Versetzungsspulen 312 und 314 aufweisen, wobei die Paare seitlich beabstandet sind. Wie vorstehend aufgezeigt, könnte die Isolationsschicht zwischen dem Film und jedem Substrat nicht notwendig sein. Jede Spule könnte auf ihrem entsprechenden Substrat ausgebildet sein und die zwei Substrate wurden zusammengebracht, um den Film 318 zwischen ihnen schichtweise anzuordnen.
Eine alternative Kernstruktur ist in der 18c dargestellt, in der der Kern 310' eine eigenständiges Gebilde zwischen der oder jedem Paar Spiralspulen 312 und 314 ist. Der Kern 310' ist winklig angeordnet, um mit dem Magnetfeld zwischen den Spulen ausgerichtet zu sein und ist zu diesem Zweck aus aufeinander folgenden Versetzungsschichten gebildet, wie beispielsweise 310a, 310b, 310c. Der Kern kann durch nicht ferromagnetische Materialien (nicht gezeigt) umgeben werden, um den Kern zu stützen.

Claims

Kraft-empfindliches Wandlerelement, welches umfasst, eine Struktur mit einem Paar von gegenüberliegenden Flächen zur Aufnahme einer auf die Struktur aufzubringenden Kraft und zum Definieren einer Kraftübermittlungsrichtung durch die Struktur, wobei die Struktur umfasst, mindestens einen Körper aus magnetischem Material, wobei der oder jeder Körper aufweist, mindestens einen ersten und zweiten magnetisierten Bereich in dem Körper, sich im Allgemeinen parallel, unter einem Winkel zu der Kraftübermittlungsrichtung erstreckend, wobei der erste und zweite magnetisierte Bereich eine entgegengesetzte Magnetisierungspolarität aufweisen, um einen Aufau einer geschlossenen magnetischen Schleife zu bewirken.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 1, worin das Paar von gegenüberliegenden Flächen Flächen des Körpers oder des mehr als einen Körpers sind.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 1, 2 oder 18, worin der Winkel im Wesentlichen 45° beträgt.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 18, worin die Struktur zwei Körper umfasst, deren jeweilige magnetisierten Bereiche verlaufen, unter einem Winkel zu jeweiligen Achsen senkrecht zu der Kraftübermittlungsrichtung, und wobei die jeweiligen Achsen unter einem Winkel zueinander verlaufen.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 4, worin die jeweiligen Achsen orthogonal verlaufen.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 4, worin die jeweiligen Achsen unter 45° zueinander verlaufen.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 18, worin die Struktur drei Körper umfasst, wobei deren jeweilige magnetisierten Bereiche verlaufen, unter einem Winkel zu jeweiligen Achsen senkrecht zu der Kraftübermittlungsrichtung, und worin zwei der jeweiligen Achsen orthogonal verlaufen und die Dritte der jeweiligen Achsen unter einem Winkel zu den anderen zwei der jeweiligen Achsen verläuft.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 7, worin die Dritte der jeweiligen Achsen unter einem Winkel von 45° zu jeder der anderen zwei der jeweiligen Achsen verläuft.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, worin die zwei oder die drei Körper in einer unitären Struktur enthalten sind oder einstückig darin vorliegen.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der magnetisierte Bereich oder die magnetisierten Bereiche zur Sättigung magnetisiert sind.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 10, worin der oder jeder Körper in der Kraftübermittlungsrichtung ausreichend dünn ist, so dass im Wesentlichen keine magnetische Schleife zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Versiegelungsbereich oder zwischen einem Paar von in nächster Weise benachbarten magnetisierten Bereichen, wie es der Fall sein kann, in dem magnetischen Material geschlossen werden kann, wodurch der magnetische Fluss, welcher die oder jede magnetische Schleife schließt, außerhalb des Materials ist.
Kraft-empfindliche Wandler-Anordnung, welche umfasst, ein Kraft-empfindliches Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und eine jeweilige Magnetfelderfassungsvorrichtung, die in dem oder in jedem besagten Körper oder benachbart dazu angeordnet ist, um kraftabhängige Veränderungen in dem magnetischen Fluss in der oder einer magnetischen Schleife zu erfassen, die mit dem oder jedem besagten Körper assoziiert ist.
Kraft-empfindliche Wandler-Anordnung, welche umfasst, ein Kraft-empfindliches Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, und eine jeweilige Magnetfelderfassungsvorrichtung, die benachbart zu dem oder jedem besagten Körper angeordnet ist, um kraftabhängige Veränderungen in dem magnetischen Fluss in der oder einer magnetischen Schleife zu erfassen, die mit dem oder jedem besagten Körper assoziiert ist.
Kraft-empfindliches Wandlerelement, welches umfasst, eine Struktur mit einem Paar von gegenüberliegenden Flächen zur Aufnahme einer auf die Struktur aufzubringenden Kraft und zum Definieren einer Kraftübermittlungsrichtung durch die Struktur, wobei die Struktur umfasst, einen Körper aus magnetischem Material, mindestens ein Paar von Spulen, die in der Kraftübermittlungsrichtung beabstandet vorliegen und in Bezug auf die Kraftübermittlungsrichtung seitlich beabstandet sind, um zwischen den Spulen des Paars einen magnetischen Pfad durch das magnetische Material, unter einem Winkel zu der Kraftübermittelungsrichtung verlaufend, zu definieren.
Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 14, worin die Spulen in Reihe verbunden vorliegen, um ein Paar von Polen mit entgegengesetzter Polarität zu erzeugen, um einen Bereich des magnetischen Materials zu magnetisieren, der sich entlang des magnetischen Pfads erstreckt.
Kraft-Wandlerelement nach Anspruch 14, welches weiter umfasst, eine Magnetfelderfassungsvorrichtung, die vorzugsweise benachbart zu mindestens einer Spule angeordnet ist, zum Bereitstellen eines Signals, welches das Magnetfeld in einem Bereich des magnetischen Materials darstellt, der sich entlang des Pfads erstreckt.
Kraft-Wandler-Anordnung, welche umfasst, ein Kraft-empfindliches Wandlerelement nach Anspruch 15, worin die In-Reihe-verbundenen Spulen verbunden sind, um den Induktor vom sättigenden Induktor-Typ eines Magnetfeldsensors bereitzustellen.
Kraft-empfindliches Wandlerelement, welches umfasst eine Struktur mit einem Paar von gegenüberliegenden Flächen zur Aufnahme einer auf die Struktur aufzubringenden Kraft und zum Definieren einer Kraftübermittlungsrichtung durch die Struktur, wobei die Struktur umfasst, mindestens einen Körper aus magnetischem Material, wobei der oder jeder Körper aufweist, mindestens einen magnetisierten Bereich mit einer gegebenen Polarität darin, der sich unter einem Winkel zu der Kraftübermittlungsrichtung erstreckt.
Drehmoment-empfindliche Wandler-Anordnung, welche umfasst, ein Glied, das angebracht ist, um einem Drehmoment um eine Achse unterworfen zu sein, ein Drehmoment-empfindliches Wandlerelement, das mit dem Glied zum Erfahren einer darin im Verhältnis zu dem Drehmoment in dem Glied induzierten Beanspruchung einstückig ist oder daran angebracht ist, wobei das Element umfasst, einen Körper aus magnetischem Material, der mindestens einen magnetisierten Bereich mit einer gegebenen Polarität darin aufweist, der sich unter einem Winkel zu der Richtung der induzierten Beanspruchung erstreckt, und eine Magnetfelderfassungsvorrichtung zum Bereitstellen eines Ausgabesignals, das die induzierte Beanspruchung darstellt.
Drehmoment-empfindliche Wandler-Anordnung nach Anspruch 19, worin der Körper aus magnetischem Material mindestens zwei magnetisierte Bereiche aufweist, die sich jeweils unter einem Winkel zu der Richtung der induzierten Beanspruchung erstrecken, wobei die zwei Bereiche eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, um einen Aufbau einer geschlossenen magnetischen Schleife zu bewirken, oder die mehr als zwei magnetisierten Bereiche eine alternierende magnetische Polarität aufweisen, um einen Aufbau einer geschlossenen magnetischen Schleife zwischen jedem in nächster Weise benachbarten Paar von Bereichen zu bewirken.
Drehmoment-empfindliche Wandler-Anordnung nach Anspruch 20, worin der oder jeder magnetisierte Bereich unter 45° zu der Richtung der induzierten Beanspruchung vorliegt.
Drehmoment-empfindliche Wandler-Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, worin das Kraft-empfindliche Wandlerelement aus einem flexiblen Material, beispielsweise einem Band, ist.