(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料の少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）を有する磁力センサ（１００）であって、前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）は距離（Ａ）を有する少なくとも１つの中断部（１３０）を有し、前記磁力センサ（１００）は、基板上に、特に監視される構成要素（１、２）上に配置されており、前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）における、前記距離（Ａ）の変化または磁束の変化それぞれが監視されることを特徴とする、磁力センサ（１００）。
【請求項２】
非磁性材料の磁気障壁層（１０）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項３】
たとえば、硬磁性合金または永久磁性粒子が組み込まれた非磁性マトリックス、または電磁石で作られた永久磁石である、少なくとも１つの励起磁石（１２０、２２０）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）内の前記磁束を監視するための少なくとも１つの測定装置を特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項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つまたは４つの内部磁気測定セクション（３１３）を有する測定チップ（３００）として設計され、前記測定チップ（３００）は好ましくは電気絶縁キャリア（３１０）上に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの中断部（１３０）を有する前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１）および前記少なくとも１つの測定装置は、磁気測定回路（１１０）を形成することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの励起磁石（１２０）は前記磁気測定回路（１１０）の一部として形成されることを特徴とする、請求項６に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項８】
好ましくは少なくとも１つのさらなる励起磁石（２２０）を有する磁気補償回路（２１０）が付加的に設けられていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁力センサ（１００）。
【請求項９】
少なくとも１つの中断部（１３０）を有する少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）が、距離（Ａ）を伴って基板に、好ましくは監視される構成要素（１、２）に付与され、当該付与は好ましくは電着によって行われることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁力センサ（１００）の製造方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）は、軟磁性合金、たとえばニッケル鉄合金から構成されることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの磁性導電トラック（１１１、２１１）の付与の前に、非磁性材料の磁気障壁層（１０）が基材に、特に監視される前記構成要素（１、２）に付与され、この層は好ましくは、銅、スズ、亜鉛、またはこれらの元素の２つ以上の合金、またはリンと鉄金属の非磁性合金を備える群より選択されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの励起磁石（１２０、２２０）は電着によって前記基板に付与され
ることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１３】
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を備える群より選択された永久磁性合金が、前記基板上に電着されることを特徴とする、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記基板への電着中に、永久磁性のマイクロまた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１３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟磁性材料の少なくとも１つの導電トラックを有する磁力センサであって、少なくとも１つの導電トラックはある距離を有する少なくとも１つの中断部を有する、磁力センサと、磁力センサを製造するための製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば車両および航空機、機械または建物の構成要素の物理量の測定は、これらの保守および動作の監視に不可欠な要素である。これに関連する重要な因子は、構成要素に対して作用する力であり、この測定は、構成要素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。
【０００３】
現在最も一般的に使用されている方法は、構成要素の適切なスポットに取り付けられたひずみゲージによる、変形およびこれによって生じる力の測定である。このシステムの主な欠点は、これらのひずみゲージが測定すべき構成要素に接着され、この接合が測定情報の伝送に影響を及ぼし、これを変造する可能性があることである。さらに、ひずみゲージは、測定情報が読み出され得るように電気的に接続されなければならず、金属構成要素は電気測定回路を構成要素から完全に隔離する必要がある。
【０００４】
したがって、構成要素の変形の測定が磁気的手段によって行われる方法が知られてきた。
【０００５】
たとえば、独国特許第１０２０１４２００４６１（Ａ１）号明細書は、閉磁化経路に沿って永久磁化を有する機械要素に対する力またはトルクを測定するための構成を記載している。このために、磁界の変化を監視する磁界センサが提供されている。この構成は、少なくとも特定の領域で構成要素の永久磁化を必要とするので、全ての構成要素に適しているわけではない。また、それぞれ外部からの磁気的および／または電気的または電磁的影響に関する障害の影響も受けやすい。
【０００６】
独国特許第３６２４８４６（Ａ１）号明細書には、機械的応力の非接触測定、特に測定対象物のねじれまたは曲げ力の測定のための装置が記載されている。この目的のために、４５°の角度で形成されたストライプパターンを有する、磁気弾性材料の層を備える２つの領域が、シャフト上に配置される。シャフトが機械的応力の下にあるときのこの層パターンの変化は、複雑な評価回路を使用して監視される。
【０００７】
別の磁気弾性トルクセンサもまた、独国特許第１０３３１１２８（Ａ１）号明細書に見られる。
【０００８】
米国特許第５，０３６，２３６（Ａ）号明細書は、磁界に基づく近接センサであって、センサは、互いに向かって移動する磁性材料の２つの構成要素間の距離の基準として機能する中断部を有する磁性伝導体を備える、近接センサを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許第１０２０１４２００４６１（Ａ１）号明細書
【特許文献２】独国特許第３６２４８４６（Ａ１）号明細書
【特許文献３】独国特許第１０３３１１２８（Ａ１）号明細書
【特許文献４】米国特許第５，０３６，２３６（Ａ）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の構成は、構成要素に対する変形プロセスを監視するのに部分的にしか、またはまったく適しておらず、もしくは実際にはあまり適していない複雑な構造を有する。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、やはり非磁性材料で作られた構成要素に対する変形プロセスを監視するのに適した磁力センサであって、センサは監視される構成要素の任意のスポットに配置され得る、磁力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、この目的は、本発明による磁力センサが基板上、好ましくは監視される構成要素上に直接配置され、少なくとも１つの磁性導電トラックの中断部の距離の変化が監視されるという点で、達成される。本発明の第１の実施形態では、本発明による磁力センサは、特に単純な構造を有し、任意の所望のグラウンド上に配置されることが可能である。
【００１３】
この場合、少なくとも１つの磁性導電トラックの磁束が監視され、少なくとも１つの磁性導電トラックの距離の変化は少なくとも１つの磁性導電トラックの磁束の変化を引き起こす。作用する力によって監視される構成要素が変形する可能性がある場合、少なくとも１つの磁性導電トラックの少なくとも１つの中断部の距離が変化する。しかしながらこれは、少なくとも１つの磁性導電トラックの中断部で誘発される磁界を変化させ、これによって少なくとも１つの磁性導電トラックの磁束が同様に変化する。したがって、磁束のこの変化は、監視される構成要素の変形の指標である。
【００１４】
磁束の変化の測定方法として、異なるプロセス、すなわち誘導性のもの、フラックスゲート原理によるもの、異方性磁気抵抗によるもの、または磁気インピーダンスを用いるものが、使用され得る。
【００１５】
磁束変化の測定が誘導的に行われる場合、この場合には急速な磁束変化が測定されることが可能であり、この方法は、徐々に起こるゆっくりした変化の影響は受けない。さらに、絶対磁束値はこの方法によって判断され得ない。
異方性磁気抵抗効果では、強磁性材料の電気抵抗はその磁化と共に変化し、この抵抗の変化が測定され得る。
【００１６】
磁気インピーダンス効果は、一方では、その磁化の関数としての軟磁性体の微分透過率の変化と、それによって導体中の電流が自身の磁界を通って高周波で表面に向けられる、いわゆる表皮効果とに基づく。組み合わせられると、これらの効果は、軟磁性伝導体のＡＣ抵抗を外部磁界に大きく依存させる。この効果は、ＭＨｚ範囲の周波数で特に良く観察され得る。
【００１７】
フラックスゲートセンサは小さい磁束を正確に測定することができるが、測定セクションはこの目的のためにコイルで囲まれなければならないので、このタイプの測定はより複雑である。
これらの測定方法の各々は、磁気測定回路の少なくとも１つの導電トラックにおける少なくとも１つの中断部の距離の変化を検出するのに適している。
【００１８】
好ましくは、磁束の測定値は、評価ユニット内で事前定義可能な閾値と永久的に比較され、この閾値に到達すると信号が発せられる。この信号は、監視される構成要素が変形するときの警告信号として機能し、これによって磁性導電トラックの少なくとも１つの中断部の距離の変化が誘発される。
【００１９】
本発明によれば、本発明の第１の実施形態では、基板は絶縁材料、たとえばプラスチック、セラミック、ガラス、サファイア、または雲母からなると規定される。この場合、本発明による磁力センサは、たとえば電着によって、この基板に付与され、基板は同様に、測定される構成要素上に配置される。
【００２０】
代替として、特に好適な変形形態では、磁力センサは、特に電着によって構成要素に直接付与されると規定される。この場合、磁力センサには、本発明による磁力センサを磁化可能な構成要素から隔離し、これによって干渉の影響から保護するために、非磁性材料の磁気障壁層が設けられると規定され得る。
【００２１】
磁力センサにおいて磁束を生成するために、本発明の特に好適な実施形態では、少なくとも１つの励起磁石が提供される。前記磁石は永久磁石であってもよく、これも好ましくは電着によって製造される。この目的のために、硬磁性合金が堆積され、または永久磁性粒子が非磁性マトリックスに組み込まれてもよい。代替として、励起磁石はまた電磁石でもあり得る。
【００２２】
好ましくは、少なくとも１つの導電トラックの磁束は、好ましくは少なくとも１つの磁性導電トラックと直接接触している、少なくとも１つの励起磁石によって誘発されると規定される。しかしながら、代替的に、少なくとも１つの励起磁石はまた、たとえば監視される構成要素の一部として、または監視される構成要素の領域内の追加要素として、磁力センサの外側に形成されることも可能である。
【００２３】
本発明による磁力センサは、好ましくは、少なくとも１つの導電トラック内の磁束を監視するための少なくとも１つの測定装置が設けられている。このようにして、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。
【００２４】
これに関連して、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つの内部磁気測定セクションを有する測定チップとして設計されることが特に好ましく規定され、測定チップは好ましくは電気絶縁キャリア、たとえばプラスチック、セラミック、ガラス、サファイア、または雲母上に配置される。前記測定チップは、磁束の変化を分析し、得られたデータを（外部）評価ユニットに送信する。
【００２５】
本発明の特に好適な実施形態では、少なくとも１つの中断部を有する少なくとも１つの磁性導電トラックおよび少なくとも１つの測定装置は磁気測定回路を形成すると規定される。この場合、少なくとも１つの励起磁石は、有利には前記磁気測定回路の一部でもある。あるいは、少なくとも１つの励起磁石は、磁力センサの外側に配置されることが可能である。
【００２６】
干渉が発生しやすい環境では、力とは無関係に磁束に影響を及ぼす漂遊磁界または温度変動などの外部効果を補償する必要があり得る。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つのさらなる励起磁石を有する磁気補償回路が設けられる。補償回路の磁気抵抗の調整は、製造中、すなわち堆積中に磁性伝導体の透磁率に影響を及ぼすことによって、たとえば堆積に使用されるパルスパターンを変動させることによって、層厚および／または導体幅などの幾何学的変動によって、補償回路の磁性伝導体の追加の中断部を適切な場所に導入することによって、またはこれらの手段の組み合わせによって、任意選択的に達成されることが可能である。
【００２７】
少なくとも１つの測定装置、特に測定チップは、２つの磁気回路、すなわち少なくとも１つの測定回路および少なくとも１つの補償回路を、好ましくはホイートストンブリッジを介して接続する。この設計は、磁束のわずかな変化さえも正確に測定できるようにする。
本発明による磁力センサは、特に構成要素の変形の判断に使用される。
【００２８】
本発明による磁力センサの製造は、少なくとも１つの中断部を有する少なくとも１つの磁性導電トラックが、距離を伴って基板に、好ましくは監視される構成要素に付与され、付与が特に好ましくは電着によって行われる製造方法によって、行われる。
【００２９】
これを行う際に、軟磁性合金、たとえば最適化された組成のニッケル鉄合金が、好ましくは非磁性の、任意選択的にマスクされた構成要素に、ガルバニック手段によって付与される。この場合、測定に必要とされる所定の距離を有する中断部は、マスク内に既に形成されているか、またはたとえばレーザを使用してコーティング後に組み込まれる。
【００３０】
磁力センサが付与されるグラウンドが磁性である、たとえば鋼または鋳鉄で作られる場合、導電トラックの付着の前に非磁性層が基材に付与されなければならない。この非磁性層は、たとえば、やはりガルバニックに製造された銅、スズ、亜鉛、またはこれらの元素の２つ以上の合金、またはそうでなければリンと鉄金属の非磁性合金の層である。この完全な金属構造により、例えば、測定される構成要素にセンサを付与するための追加の接着剤層であって測定結果に影響を及ぼし得る追加の接着剤層を設けることなく、構成要素へのセンサの最適な接続が得られる。
本発明による磁力センサに特に敵した、励起磁石のガルバニック製造は、２つの異なる方法で実現されることが可能である。
【００３１】
一変形形態では、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を備える群より選択された永久磁性合金が、基板または構成要素上にそれぞれ電着される。
【００３２】
代替として、基板、特に構成要素への電着中に、永久磁性のマイクロまた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。この場合、全ての硬磁性材料は、粒子として、適切な形態の硬磁性合金として、たとえばナノワイヤとして、たとえばフェライト、二酸化クロム、酸化鉄、ネオジム−鉄−ホウ素粉末、またはコバルトサマリウム粉末などの粉末として、適している。これらの粒子は、純粋な形態で、またはたとえばシロキサンを用いる適切な化学的表面改質に続いて、使用されることが可能である。一方では、粒子の表面の化学修飾は、ガルバニック層への粒子の取り込み速度の制御に役立ち、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がこれによって高められることが可能である。
【００３３】
好ましくは、永久磁性層の堆積は、外部から印加される磁界で行われ、これは磁化の方向に粒子を整列させ、こうして電着された永久磁石の結果的な磁界強度を増加させる。
【００３４】
特殊な要件については、いくつかの位相で永久磁性層の堆積を実行し、位相間で外部磁界の方向を変更することが、可能である。このようにして、局所的に磁化が変化する永久磁性層が製造され得る。
本発明は、関連する図面を伴う非限定的な例示的実施形態に基づいて、以下にさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による磁力センサの第１の実施形態の概略図である。
【図２】図１の磁力センサの磁性導電トラックの詳細図である。
【図３】図１の測定チップの詳細図である。
【図４】図１の磁力センサの層構造の概略説明図である。
【図５】本発明による磁力センサの第２の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１には、本発明による磁力センサ１００の第１の特に好適な実施形態が示されている。この磁力センサ１００は、第１の励起磁石１２０が配置された磁性導電トラック１１１を有する磁気測定回路１１０を備える。
【００３７】
この磁性導電トラック１１１は中断部１３０を有し、磁性導電トラックの２つの末端１１２Ａ、１１２Ｂが互いに対して距離Ａで配置され、これらの２つの末端１１２Ａ、１１２Ｂはその断面において先細っている（図２参照）。磁性導電トラック１１１の２つの末端１１２Ａ、１１２Ｂのこの先端または矢印形状の形成により、特に強い磁力線がこの領域に確立され、これによって２つの末端１１２Ａ、１１２Ｂ間の距離Ａの可能な変化、ひいては２つの末端１１２Ａ、１１２Ｂ間の磁界の可能な変化のより正確な測定が、可能になる。
【００３８】
影響、特に環境からの磁気的および／または電磁的な影響を最小化するために、本発明による磁力センサ１００は、本発明のこの実施形態では、磁性導電トラック２１１を有する磁気補償回路２１０を付加的に備え、この補償測定回路にも同様に、第２の励起磁石２２０が設けられている。２つの磁気的に活性な磁気測定回路１１０及び磁気補償回路２１０の磁束は、測定チップ３００を介して互いに対して測定される。
【００３９】
前記測定チップ３００は、図３に詳細に示されている。金属グラウンド、すなわち監視される構成要素から電気的に絶縁するために、これは電気絶縁キャリア３１０に付与される。この電気絶縁キャリア３１０は、たとえば、セラミック、プラスチック、雲母、または類似の絶縁材料で作られる。
【００４０】
磁気測定回路１１０の磁性導電トラック１１１は、２つの第２末端で測定チップ３００の２つの磁気入力３１１Ａ、３１１Ｂと結合する。この目的のために、２つの入力３１１Ａ、３１１Ｂは、同時の電気的絶縁と共にフェライト３１２による磁気結合を有する。２つの入力３１１Ａ、３１１Ｂの間には、２つの磁気測定セクション３１３Ａ、３１３Ｂが設けられ、これらは磁性導電トラック１１１の距離Ａを有する中断部１３０を監視するのに役立つ。
【００４１】
磁気補償回路２１０についても、磁気入力３１１Ｃ、３１１Ｄが測定チップ３００上に設けられ、これらは同様に、２つの磁気測定セクション３１３Ｃ、３１３Ｄを介して相互接続されている。
最後に、測定チップ３００に電流を供給するための接続３２０および得られた測定信号を評価するための信号出力３３０が設けられる。
本発明による磁力センサ１００の動作モードは、以下のように説明され得る。
【００４２】
磁力センサ１００が付与された構成要素の監視中、磁気測定回路１１０および磁気補償回路２１０の両方は一定の磁界を有する。しかしながら、磁気測定回路１１０の中断部１３０の領域で構成要素の変形が生じた場合、中断部１３０の距離Ａひいては誘導磁界が変化し、磁気測定回路１１０及び磁気補償回路２１０の磁束の結果的な変化が磁気測定セクション３１３Ａ、３１３Ｂ、３１３Ｃ、３１３Ｄを介して検出される。磁束のこの変化は、適切な評価エレクトロニクス（図示せず）で分析されることが可能であり、たとえば、構成要素の安定性に関する警告が任意選択的に発せられることが可能である。
【００４３】
本発明による磁力センサ１００のさらなる実施形態は、図４に示されている。この場合、磁力センサ１００は、監視部１００Ａである第１部分が監視される構成要素１上に配置されている、２部設計を有する。磁力センサ１００の測定部１００Ｂである第２部分は、ギャップ３を介して第１構成要素１から離間した第２構成要素２上に配置されている。
【００４４】
外部磁気測定回路１１０は、その磁性導電トラック１１１が中断部１３０を備える第１部分１１０Ａを監視される構成要素１上にしておき、その第２部分１１０Ｂは構成要素２上の励起磁石１２０と共に配置されている。同様に、内部磁気補償回路２１０も２部設計を有し、すなわち第１部分２１０Ａは第１構成要素１上に配置され、その第２部分２１０Ｂはその磁性導電トラック２１１と共に第２構成要素２上に配置されている。いずれの場合も、磁性導電トラック１１１、２１１は測定チップ３００で終端する。
【００４５】
２つの中断部、すなわち２つの構成要素１、２を横切る磁性導電トラック１１１およびギャップ３の中断部１３０を有する本発明による磁力センサ１００のこの２部構造は、第１構成要素１の可能な変形の監視を可能にする。この場合、既に上記で説明されたように、中断部１３０内の距離Ａおよびひいては磁力センサ１００内の磁束は、第１構成要素１の変形と共に変化する。しかしながら、同時に、互いに対する２つの構成要素１、２の位置もまた監視される。２つの励起磁石１２０、２２０は第１構成要素１上の磁性導電トラック１１１、１１２に近接して第２構成要素２上に配置されるので、２つの構成要素１、２間のギャップ３が拡大または縮小するときに磁束が再び変化するか、そうでなければ第１構成要素１の位置は、その相互距離が変更されることなく第２構成要素２に対してシフトする。
【００４６】
監視される構成要素１が磁性材料から製造される場合、磁気測定回路１１０および任意選択的に磁気補償回路２１０をこの構成要素１上に、絶縁されるように付与させる必要がある。本発明のさらなる実施形態では、図５に示されるように、この目的のために、たとえば、銅、スズ、亜鉛、またはこれらの元素の合金、ならびにリンと鉄系金属の非磁性合金でも作られた、非磁性絶縁層である、磁気障壁層１０は、ガルバニック法によって付与されると規定される。続いて、関連する励起磁石１２０を有する磁気測定回路１１０もまた、この磁気障壁層１０上に電着される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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