1.本发明涉及一种用于制造扭矩传感器的方法、一种用于扭矩传感器的转换器设备、一种扭矩传感器和一种用于运行扭矩传感器的方法。
背景技术：
2.对在转动部件上起作用的扭矩的测量在许多技术领域中是重要相关的，例如在马达、机动车马达、航海、电器具等领域中。已知用于测量扭矩的方法，在所述方法中，对至少一个参数进行量化，以便基于扭矩与参数之间的相关性来求取扭矩。扭矩的量值通过τ＝f*r*sinθ给定，其中，τ是扭矩，f是作用力，r是从扭矩的基准点到力f的作用点的位置矢量的量值，θ是力f与位置矢量r之间的角度。此外，对于从转动部件传递的功率，适用的是p＝τ*ω。在此，ω是转动部件的角速度，其中，ω＝2πn，其中，n是转数，使得对于扭矩适用的是τ＝p/2πn。
3.在实践中，在根据功率求取扭矩时出现如下困难：扭矩可能例如通过由于摩擦或者由于在转动部件的设计中的误差而引起的功率损耗而被过高估计。此外可能的是，尽管转动部件不处在转动中，扭矩仍然起作用。
4.由现有技术已知磁静力扭矩传感器，在所述磁静力扭矩传感器中，利用扭矩传感器的铁磁材料的导磁率的变化。例如，别的已知的扭矩传感器基于电效应、光学效应、压电效应和电感效应。
5.对于在电动工具或者手动工具或手持式工具或者用于这样的工具的适配器或套装件中的扭矩测量，例如已知具有读数显示(anzeigedisplay)的扭矩扳手和数字扭矩测量器。通常使用扭矩传感器，所述扭矩传感器对转动部件中的张力做出反应。这可能归因于对呈电流值、电压值和电阻值的形式的数据的简单检测和通过简单相关性到扭矩值的变换。别的参数的使用受到如下困难的限制：获得可靠的数据流和所测量的信号与最终的扭矩值之间的良好的关系。这尤其是当扭矩传感器例如基于磁致弹性效应(磁致伸缩)时适用。
6.已知不同的用于扭矩测量的方法，在所述方法中，利用磁致弹性效应。在所谓的维拉里效应(逆磁致伸缩)的情况下，所施加的扭矩负载导致磁化的变化。在基于导磁率的变型(pb类型i)的情况下，利用如下事实：由于起作用的扭矩所产生的张力在磁性材料中引起磁各向异性，该磁各向异性导致导磁率的变化，由此影响磁流的穿透性。在此，需要磁化源和传感器线圈。在pb类型i变型的情况下，相关的导磁率变化局限于转动部件的表面。然而，在趋势方面，实现该变化所需要的磁化也可以在转动部件的内部的方向上穿过表面。因此可能的是，穿透性可能被强烈磁化的内部主导，这导致对通过传感器线圈检测到的磁场的变化的减弱。
7.在另一种变型(“偏振带(polarized band)”，pb类型ii)中，借助电压诱导的磁各向异性引起剩余的磁化，以便产生能够测量的磁流。在此，所引起的磁各向异性强烈地取决于扭矩应力到转动部件的所谓的“偏振带”上的传递的有效性。
8.通过对无定形合金(其也被称为金属玻璃)的深入了解和制造，进一步支持在该领
域上的研发(尤其是用于pb类型ii变型)。起初认为，由于缺少原子长程有序性(fernordnung)在无定形固体中不可能存在铁磁性。然而，通过优化合金中的元素组成表明，可以实现软磁性能。由于无定形合金也可以以薄带的形式制造，因此，更简单并且更经济的是，例如制造不同尺寸和形状的变压器芯(transformatorkern)。
9.激励线圈和测量线圈的使用应当在扭矩传感器的情况下避免，因为这些激励线圈和测量线圈必须布置在磁致弹性元件的附近并且布置在与外部电流源和与测量回路的布线中。这例如导致在工具操作和传感器部件的设计方面的限制。磁致弹性元件和线圈的使用应当在转动部件的外面上进行。将这些元件集成到转动部件(例如扭矩轴或者主轴)的钻孔或者空腔中，在尤其用于电动工具的实际使用中限制应用。用于将磁致弹性材料集成到转动部件中的更灵活的方法同样是必需的，以便例如能够为替换件市场实现对工具和器具的简单适配。
10.磁致弹性响应特性的性能和相对于所施加的扭矩的灵敏度必须被改进，以便能够实现对大的扭矩范围、更高的分辨率和更好的动态的测量。此外，这会实现从分析模型中、从统计模型中或者借助神经网络对预期扭矩的短期预测。
技术实现要素：
11.本发明的任务在于，提出一种改进的用于制造扭矩传感器的方法、提供一种改进的用于扭矩传感器的转换器设备和一种改进的扭矩传感器并且提出一种改进的用于运行扭矩传感器的方法。该任务通过具有相应独立权利要求的特征的用于制造扭矩传感器的方法、用于扭矩传感器的转换器设备、扭矩传感器和用于运行扭矩传感器的方法来解决。有利的扩展方案在从属权利要求中给出。
12.用于制造扭矩传感器的方法包括下述方法步骤。提供无定形的金属的玻璃带。对所述玻璃带进行热处理。使经热处理的玻璃带磁化。将经磁化的玻璃带紧固在转动部件上。
13.对玻璃带的热处理在最初无定形的玻璃带中诱导纳米晶结构。有利地，纳米晶结构引起高的磁致伸缩系数，由此能够更高效地利用逆磁致伸缩。有利地，也能够通过改变玻璃带的材料的量来适配扭矩传感器的反应能力。磁致伸缩效应的效率可以例如通过改变玻璃带的厚度或者玻璃带的数量来修改。
14.在一种实施方式中，在附加的方法步骤中，将覆盖装置布置在玻璃带的表面上方。该覆盖装置具有构造用于探测玻璃带的磁场的磁场传感器。
15.在一种实施方式中，在附加的方法步骤中，将玻璃带布置在载体上方。有利地，由此以机械的方式使玻璃带稳定。
16.在一种实施方式中，玻璃带的热处理在玻璃带的居里温度(curie-temperatur)与结晶温度之间的温度下进行。有利地，由此可以特别可靠地在玻璃带中产生纳米晶结构。
17.在一种实施方式中，在玻璃带被磁化之前，使玻璃带成形。有利地，玻璃带可以这样成形，使得该玻璃带可以完整地布置在磁场内。符合目的地，玻璃带可以这样成形，使得该玻璃带可以紧固在转动部件上。例如，玻璃带可以空心柱形地成形，以便例如被套到主轴上。
18.在一种实施方式中，这样布置覆盖装置，使得磁场传感器与玻璃带间隔开。由此，有利地能够借助扭矩传感器以无接触的方式测量扭矩。
19.在一种实施方式中，所述方法至少部分地在卷对卷(rolle-zu-rolle)工艺中进行。有利地，由此可以在短时间内制造大量扭矩传感器。
20.用于扭矩传感器的转换器设备具有转动部件和紧固在转动部件上的金属的玻璃带。所述玻璃带具有纳米晶结构和磁化。转换器设备也可以被称为换能器(transducer)。有利地，转换器设备能够实现对通过预先磁化的玻璃带的发射所产生的磁场的磁流的变化的检测，而不需要使用激励线圈。这有效地能够实现如下完全的自由性：将转换器设备紧固在每个可运动的/承载扭矩的元件上，而不受限制或者不受由于被供给电流的电路、电部件或者线缆所引起的限制。这能够实现工具的成本有利且简单的加装以及产品线的加装。
21.扭矩传感器具有转换器设备和紧固在转换器设备上方的覆盖装置，该覆盖装置具有磁场传感器。该磁场传感器构造用于探测玻璃带的磁场。有利地，转换器设备和磁场传感器可以彼此独立地设计和开发。由此，转换器设备可以开发为单独的部件(例如作为附加配件)或者较大的器具中的集成部件。
22.用于运行扭矩传感器的方法包括下述方法步骤。产生施加到转换器设备上的扭矩。借助磁场传感器测量玻璃带的磁场。基于磁场与扭矩之间的预确定的关系求取扭矩。在该方法中提出，逆磁致伸缩(也被称为维拉里效应(villari-effekt))可以用作用于扭矩测量的模态。
23.有利地，该方法是用于检测磁场的受到扭矩负载影响的变化的机制的简化。将所测量的扭矩数据相关联作为用于例如马达运行和工具状态的读数，能够实现对相应的扭矩应用的明显更准确的控制。短期预测有利地能够实现，对系统中的电部件和机械部件的反应时间延迟进行补偿。
24.扭矩传感器的或用于运行该扭矩传感器的方法的另一个优点在于，可以实现无线的扭矩传感器j9九游会真人的解决方案。这包括例如iot功能、实时扭矩监控、对所施加的扭矩的控制和对处在运行中的电动工具的简单适配。有利地，也可以以高精度映射大的扭矩范围。这可以例如通过不同的加装转换器设备来实现，所述加装转换器设备可以附接到现有的工具上。
25.扭矩传感器可以由于简单的适配和应用而通过简单的方式在许多应用情况和领域中使用。这包括例如具有转动件、振荡件或者冲击件的所有电动工具和如下紧固应用：在所述紧固应用中，通常扭矩对于紧固的安全性和可靠性而言是关键的。扩大的生产线可能制造成本有利的紧固元件，所述紧固元件分别配备有在此描述的磁转换器设备。这尤其包括在地上建筑中、在汽车领域(雷达、驱动器、车架和别的元件)中的紧固、装配和制造。别的可能的应用例是门铰链和窗铰链和配重元件。
附图说明
26.结合示意性附图更详细地阐述实施例，本发明的上述特征和优点结合下面对所述实施例的描述将变得更清楚且更易懂。附图示出：
27.图1至图4示出用于制造扭矩传感器的方法的方法步骤；和
28.图5和图6示出用于阐述用于运行扭矩传感器的方法的曲线图。
具体实施方式
29.图1示意性地示出用于制造扭矩传感器的方法的方法步骤1、2。
30.在第一方法步骤1中，提供无定形的且金属的玻璃带10。该玻璃带可以例如具有fe
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si9或者别的无定形金属材料。如图1所示，无定形的金属的玻璃带1的提供可以包括将玻璃带1裁切成期望的尺寸，该玻璃带最初可以例如以卷起的方式存在。
31.在第二方法步骤2中，对无定形的且金属的玻璃带10进行热处理。热处理在此这样进行，使得最初以无定形的形式存在的玻璃带10在该热处理之后具有纳米晶结构。纳米晶结构应指的是多晶结构，该多晶结构的平均粒度处在亚微米范围中。通过热处理诱导的纳米晶结构提供如下优点：玻璃带10具有高的磁致伸缩系数，由此可以更高效地利用逆磁致伸缩。
32.始终与金属玻璃有关的两个重要温度是居里温度(tc)和结晶温度(t
x
)。基于这些温度的信息，可以设计热处理方案，以便诱导纳米晶晶体结构。例如，玻璃带1的热处理在玻璃带1的居里温度与结晶温度之间的温度下进行。对于fe
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si9，用于tc和t
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的值为410℃和535℃。无定形玻璃带或者金属玻璃材料由于缺少晶体结构并且由此也缺少磁偶极子而只具有软铁磁性。一般的观察是，经退火的无定形玻璃带10在低于tc的情况下是脆的，并且即使在微弱的拉应力的情况下也容易断裂，这也表明玻璃带1的磁致弹性的损失。
33.为了实现纳米晶材料的良好形成，建议在结晶温度t
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的范围中对无定形玻璃带10进行热处理。例如，热处理可以在525℃的情况下进行两个小时。在此符合目的的是，热处理在惰性环境中、例如在干燥的氮气环境中进行。需要控制退火环境以减少氧化剂(例如氧气、湿气)，以便防止在高温的情况下玻璃带1的氧化。
34.在热处理之后，玻璃带10是脆的。出于这个原因有意义的是，在热处理之前已经将玻璃带10进行裁切。在图1中未示出的实施方式中，玻璃带10可以在热处理之前布置在载体上方。由此使玻璃带10稳定。载体的材料应当这样选择，使得该材料相对于热处理是稳健的。在另一种实施方式中，经退火的并且通常易碎的玻璃带10可以转移到至少一个粘合层上，该粘合层使玻璃带10稳定。
35.在第三方法步骤3中，使经热处理的玻璃带磁化。图2示出第三方法步骤3的示例性流程。
36.为了使玻璃带10磁化，可以使用强永久磁铁或者电磁铁11。图2示例性地示出，使用偶极子电磁铁系统11，该偶极子电磁铁系统借助直流电流来运行，以便给经退火的玻璃带10带来永久磁化。该偶极子电磁铁系统可以变成外部磁场12，该外部磁场具有高达0.3t的强度，该外部磁场用于使玻璃带10磁化。电磁铁11的两极13之间的间距可以例如为25至30mm。然而，该方法不局限于所标明的磁场12或者所标明的间距。
37.图2示出用于制造扭矩传感器的方法的示例性实施方式，在该实施方式中，玻璃带10在其被磁化之前已成形。仅示例性地，玻璃带10成形成空心柱体。这提供如下优点：玻璃带1尽可能完整地布置在极13之间的区域内，以便可以尽可能完整地被磁化。
38.通过将玻璃带10以相对于电磁铁11的不同角度位置放置在极13之间，玻璃带10可以沿着不同方向被磁化。示例性地，图2示出三种磁化方案，即竖直的、水平的和成角度的磁化。水平的磁化应指的是如下配置：在该配置中，玻璃带10的长轴以平行于磁场12的磁场线伸展的方式布置。竖直的磁化应指的是如下配置：在该配置中，玻璃带10的长轴以垂直于磁场12的磁场线伸展的方式布置。
39.在水平的磁化的情况下，例如可能的是，由于玻璃带10的磁化而产生的磁场均匀
地沿着玻璃带10以例如大于10g的强度分布。在竖直的磁化的情况下，可能的是，磁化局部地发生变化。因此，沿着玻璃带10的长轴例如可以产生具有大于10g的磁场强度的区域和具有在0g的范围中的磁场强度的区域。成角度的磁化是水平的磁化和竖直的磁化的组合。玻璃带10内的磁化的定向可以适配于玻璃带的最终应用，以便实现最佳的功率，其中，可以考虑应用的要求。同样可以使用别的方法，以便将最佳的磁化诱导到带中。
40.图3示出该方法的第四方法步骤4，在该第四方法步骤的框架中，经磁化的玻璃带10紧固在转动部件14上。经磁化的玻璃带10和转动部件14形成扭矩传感器的转换器设备15(英语：transducer)。在第四方法步骤4中，玻璃带10套到转动部件14上。转动部件14可以例如构造为轴，例如构造为马达的轴，构造为主轴或者例如构造为电工具的组成部分或者替代地构造为用于电工具的套装件。玻璃带10的尺寸应当大约适配于转动部件14的尺寸。例如，玻璃带10的内直径应当大约与转动部件14的外直径一样大。
41.为了紧固玻璃带10，可以使用粘接剂，这在图3中未示出。粘接剂可以例如具有氰基丙烯酸酯(cyanoacrylat)或者环氧化物。但是，这可以是任意的粘接剂。粘接剂可以直接涂敷到玻璃带10上，其中，可以事先对玻璃带10进行清洁。然后，玻璃带10借助所涂敷的粘接剂紧固在可能同样事先经清洁的转动部件14上，以便形成转换器设备15。适合的粘接剂的使用具有能够容易执行紧固的优点，并且突出之处在于高的强度、高的耐久性和跨越粘接剂的整个区域的“扭矩保真度”，由此可以通过均匀的方式在玻璃带10中引起磁致伸缩效应。当力应通过粘接剂从转动部件14传递到玻璃带10上时，粘接剂在玻璃带10与转动部件14之间的厚度和分布对于在转动部件14上起作用的扭矩的一致的(konsistente)测量是决定性的。
42.在图4中所示的第五方法步骤5的框架中，覆盖装置16布置在玻璃带10的表面17上方。覆盖装置16具有构造用于探测玻璃带10的磁场的磁场传感器18。由此，扭矩传感器19制成。例如，具有集成的磁场传感器18的电路板可以用作覆盖装置16。符合目的地，覆盖装置16可以这样布置，使得磁场传感器18与玻璃带10间隔开。
43.磁场传感器18可以基于不同现象，例如霍尔效应或者磁致电阻，例如各向异性磁致电阻(英语：anisotropic magnetoresistance，amr)、巨磁阻(英语：giant magnetoresistance，gmr)或者隧道磁电阻(英语：tunnel magnetoresistance，tmr)。gmr传感器提供如下优点：所述gmr传感器可以在不具有与玻璃带10的机械接触的情况下布置。运行扭矩传感器所需要的部件还包括电池或者别的(临时的)电流源以及用于对磁场传感器18和电路板进行寻址和读取的微控制器。除此之外，覆盖装置16例如也可以包括位置传感器20、加速度传感器21或者别的传感器。所有传感器可以在此集成在相同的电路板上，以便例如提供另外的信息用于使用电动工具。此外，也可以集成通信器件22，以便显示或者传递所测量的数据。在图4中示例性地示出，扭矩传感器19套到用于电动工具的套装件23上，然而这不是一定必需的。第五方法步骤5仅是可选的。
44.图5和图6示出用于阐述用于运行根据图4的扭矩传感器的方法的曲线图。
45.首先，在该方法的框架中，生成施加到转换器设备15上的扭矩。这通过下述方式实现：将转动部件14置于转动运动中，例如通过电动工具的运行。转动部件14的转动导致玻璃带10的机械负载。这导致由玻璃带10发射的磁场由于相反的磁致伸缩效应而变化。
46.然后，借助磁场传感器18来测量玻璃带10的磁场。图5示出以oe为单位的所测量的
磁场强度24，该磁场强度是相对于持续时间绘制的。然后，逐步地提高扭矩。图5示例性地示出五个示例性地选择的、以nm为单位的扭矩25，所述扭矩例如可以在借助电动工具拧紧螺母时起作用。能够看出，磁场强度24随着扭矩变化本身经历变化。在趋势方面，磁场强度24在扭矩25增加时下降，其中，该变化是与材料有关的并且是与材料体积有关的。玻璃带10的较大的体积例如导致磁场强度24的较大的降低。
47.在另一步骤中，基于磁场强度24与扭矩25之间的预确定的关系来求取扭矩。图6示出根据图5的磁场强度24的曲线根据所施加的扭矩25磁场强度24的变化26。磁场强度24与扭矩25之间的线性关系27能够实现对所施加的扭矩的估计。
48.有利地，玻璃带10可以这样被磁化，使得该玻璃带抑制干扰场和散射场。此外，扭矩传感器19对于与gmr探测面平行的磁化是最敏感的，由此可以减少干扰场对扭矩测量的影响，尤其是当玻璃带10被相应地磁化时。由此可以改进扭矩传感器19的信噪比。由此可以省略别的用于改进信噪比的措施。此外，可以测量并考虑在外部磁场配置中的动态变化，其方式是，在转换器设备15的影响范围之外纳入附加的磁场传感器18。