Wegsensor mit Rückschlusskern in einer Gehäusekavität

Die Erfindung betrifft einen Wegsensor zum Erfassen eines Weges bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Aus der DE 101 30 572 Al ist ein induktiver Messaufnehmer für einen Wegsensor bekannt, der basierend auf einem Magnetfeld eines Geberelementes, das von der Position des Geberelementes abhängig ist, ein elektrisches Signal an eine Auswerteschaltung ausgibt.

Die Anforderungen bezüglich der Robustheit von Sensoren ge genüber externen Magnetfeldern sind in der jüngsten Vergan genheit deutlich gestiegen. Zusätzlich gilt es jedoch auch dem zunehmenden Kostendruck zu begegnen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den bekannten Wegsensor zu verbessern bzw. einen kostengünstigen bzw. robusten Wegsensor bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs bzw. des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus gestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Wegsensor zum Erfassen eines Weges:

eine Erregerspule zum Erregen eines elektromagnetischen Wechselteides ,

eine Empfängervorrichtung zum induktiven Empfangen des elektromagnetischen Wechselfeldes und zum Ausgeben eines vom empfangenen elektromagnetischen Wechselfeld abhängigen Aus- gangssignals , wobei die Empfängervorrichtung einen Funkti onskern aufweist, der von wenigstens einer Empfangsspule umgeben ist. Der Wegsensor weist außerdem einen Rückschlusskern auf, wobei der Rückschlusskern dazu ausgebildet ist, den Funkti onskern vor einem externen elektromagnetischen Feld abzu schirmen. Externe magnetische Felder werden durch den Rück schlusskern zu einem großen Teil am Funktionskern vorbeigeleitet und verursachen deshalb nur geringe Störungen in den Sensor signalen. Die Empfängervorrichtung weist erfindungsgemäß ein Gehäuse mit einer Kavität auf, in der der Rückschlusskern angeordnet ist. Die Kavität mit dem Rückschlusskern kann mit einem Deckel verschlossen sein. Das von der Empfängervorrichtung empfangene elektromagnetische Wechselfeld wird vorzugsweise durch einen Geber, insbesondere einen leitfähigen und / oder magnetischen Geber, abhängig von dessen Position beeinflusst, so dass der zurückgelegte Weg dieses Gebers erfasst werden kann. Das Ausgangssignal enthält dann vorzugsweise eine Information über den zurückgelegten Weg.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die naheliegende Vorgehensweise, bei der die beiden Kerne genau gleich ausge staltet werden und damit kostengünstig mit einem einzigen, gleichbleibenden Herstellungsverfahren herstellbar sind, zu gewissen Nachteilen führt, denn zumindest der Rückschlusskern wird dabei aufwändiger hergestellt, als es für seine Funktion nötig wäre. Durch die Kavität in dem Gehäuse kann der Rück schlusskern in dieser angeordnet werden, wobei sich das Material bzw. der Aufbau des Rückschlusskerns von dem des Funktionskerns unterscheiden können. Auf den Rückschlusskern wirkt somit bei der Herstellung wie auch im Betrieb des Wegsensors kein wesentlicher mechanischer Druck ein, dennoch ist er durch die Kavität sicher und ortsfest gelagert. Daher ermöglich die Erfindung einen kostengünstigeren bzw. robusteren Wegsensor. Es ist bevorzugt, dass in der Kavität oder an einem Deckel der Kavität zumindest ein Halteelement zum Halten des Rück schlusskerns angeordnet ist, an dem der Rückschlusskern mit Abstand von einer oder mehreren Wandungen der Kavität befestigt, insbesondere festgeklebt, ist. Dies dient einer Vermeidung von Verspannungen auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungs koeffizienten. Hierzu wird der Rückschlusskern so befestigt, dass er sich frei in eine oder alle Richtungen ausdehnen kann, ohne auf eine Wandung der Kavität zu treffen. Das Halteelement ist bevorzugt als Steg bzw. Rippe ausgebildet. Es steht in diesem Fall mit dem Rückschlusskern an einem Punkt oder entlang einer Linie in Kontakt bzw. ist mit diesem entsprechend verklebt. Die Kavität kann mehrere Halteelemente aufweisen, wobei nur we nigstens eines, also nicht zwingend alle Halteelemente fest bzw. starr an dem Rückschlusskern befestigt sind. Eines oder mehrere Halteelemente können entsprechend als Niederhalter ausgebildet sein, also lediglich die Bewegung des Rückschlusskerns ein schränken, um beispielsweise Biegeschwingungen zu verhindern.

Vorzugsweise wird das Gehäuse von einer Spritzmasse gebildet, die an dem Funktionskern anliegt und diesen umhüllt. Somit werden für die Lagerung der beiden Kerne unterschiedliche Methoden ver wendet, die jeweils den unterschiedlichen Anforderungen an die Kerne gerecht werden bzw. eine unterschiedliche Ausbildung der Kerne erlauben. Die Spritzmasse kann im Rahmen eines Spritz pressvorgangs in die entsprechende Gehäuseform gebracht werden, inklusive der Kavität für den Rückschlusskern. Sie kann außerdem teilweise einen Leadframe mit Kontaktbeinchen mit einschließen, der die Empfängervorrichtung mechanisch abstützt und eine elektrische Kontaktierung des Wegsensors vereinfacht.

Es ist bevorzugt, dass die Spritzmasse ein Duroplast-Material umfasst . Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Funktionskern eine amorphe, insbesondere im Wesentlichen magnetostrikti- onsfreie, Legierung. Dies ist zwar nicht so kostengünstig wie ein kristalliner Kern, jedoch ermöglicht es, den Funktionskern mechanischen Spannungen auszusetzen, wie sie beispielsweise beim Umspritzen des Funktionskerns mit der Spritzmasse des Gehäuses auftreten. Der Funktionskern kann insbesondere aus mehreren Folien des amorphen Materials aufgebaut sein.

Es ist bevorzugt, dass der Rückschlusskern eine kristalline Legierung enthält oder daraus besteht. Während es nur wenige magnetostriktionsfreie, magnetische Legierungen gibt, ist die Anzahl der kristallinen Werkstoffe sehr groß . Dies ermöglicht es, einen kostengünstigen Rückschlusskern einzusetzen. Die Kos tenersparnis kann dabei mehr als 60 % gegenüber einem amorphen Kern betragen. Da vorzugsweise die Permeabilität des einge setzten amorphen Funktionskerns relativ gering ist, bietet der Einsatz eines hochpermeablen, kristallinen Rückschlusskerns Vorteile bei der Abschirmung externer magnetischer Felder, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.

Es ist bevorzugt, dass der Wegsensor ausgebildet ist, anhand einer induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfän gervorrichtung den zurückgelegten Weg eines Gebers zu erfassen, wobei der Geber die induktive Kopplung wegabhängig durch lokale magnetische Sättigung des Funktionskerns, beeinflusst.

Bevorzugt weist der Wegsensor einen Schaltkreis auf einem Verdrahtungsträger zum Empfangen des Ausgangssignals aus der Empfängervorrichtung auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Wegsensors:

- Bereitstellen des Funktionskerns und des Rückschlusskerns, - Umhüllen des Funktionskerns mit dem Gehäuse,

- Umwickeln des den Funktionskern enthaltenden Teils des Gehäuses mit der Erregerspule und der Empfangsspule,

- Einbringen der Kavität in das Gehäuse außerhalb des mit der Erregerspule und der Empfangsspule umwickelten Teils des Gehäuses ,

- Einlegen des Rückschlusskerns in die Kavität des Gehäuses.

Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse mittels Spritzgießen oder Spritzpressen gebildet wird, wobei, die Kavität mittels eines Formwerkzeugs in das Gehäuse eingebracht wird.

Bevorzugt beinhaltet die Bildung des Gehäuses das wenigstens teilweise Umspritzen des Funktionskerns mit einer Schutzmasse.

Bevorzugt beinhaltet das Verfahren auch das Verbinden der Empfangsspule mit elektrischen Anschlüssen zur Ausgabe des Ausgangssignals .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein stark schematisiertes Wirkprinzip des Wegsensors

Fig. 2 ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel eines

Wegsensors gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein stark schematisiertes weiteres Ausführungsbei spiel eines Wegsensors gemäß Fig. 1, Fig. 4 einen ersten Produktionsschritt eines Wegsensors,

Fig. 5 einen zweiten Produktionsschritt eines Wegsensors,

Fig. 6 eine stark vereinfachte, geschnittene Detailansicht der Kavität gemäß eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 7 eine stark vereinfachte, geschnittene Detailansicht der Kavität gemäß eines weiteren Ausführungsbei spiels .

Es wird auf die Figuren 1 - 3 Bezug genommen, die einen Wegsensor beispielhaft in Form eines Differenztransformator-Wegsensors darstellen. Dieser leitet die zu ermittelnde Messgröße, die Position eines Gebers G, aus der Differenz zweier durch eine Erregerspule 4 sekundärseitig induzierter Signale ab. Erre gerspule 4 und Empfangsspulen 5 und 6 bilden also gemeinsam einen Übertrager 7. Wird ein Dauermagnet als Geber G verwendet, so sorgt dessen Magnetfeld für eine Sättigungszone im weichmagnetischen Kernmaterial K des Funktionskerns 76, die ihrerseits die se kundärseitig induzierten Spannungen positionsproportional gewichtet. Im regulären Betrieb verändert also der verwendete Dauermagnet als Positionsgeber G in Abhängigkeit seiner Position über dem weichmagnetischen Funktionskern 76 die Amplitude der in die Empfangsspulen 5, 6 induzierten Spannungen. Der Begriff der Empfangsspule wird in dieser Beschreibung als gleichbedeutend mit dem Begriff Induktivität verwendet, kann also beispielsweise auch eine Planarinduktivität bezeichnen. Befindet sich der Dauermagnet in der mechanischen Mitte des Transformators, also mit gleichem Abstand zu den beiden Empfangsspulen 5, 6, so sind, nach Betrag und Phase, beide Sekundärspannungen gleich groß und die Differenz ergibt sich zu Null. Die beiden in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Sensortypen entsprechen weiteren Ausführungsbeispielen nach dem Prinzip des in Fig. 1 dargestellten Wegsensors.

Der in Fig. 2 dargestellte Wegsensor nach Typ I zeichnet sich durch seine einfache Bauweise und unter anderem dadurch aus, dass dieser Wegsensor die Position mit Hilfe von subtraktiv ver- schalteten Empfangsspulen ermittelt. Durch die antiserielle Verschaltung der Empfangsspulen 5, 6 unter Berücksichtigung des Wickelsinns der jeweiligen Empfangsspule 5, 6 wird eine Sub traktion der induzierten Wechselgröße vorgenommen, wobei die Positionsinformation über den gesamten Messbereich nur feh lerfrei ermittelt werden kann, wenn Betrag und Phase der in duzierten Signale in den Empfangsspulen 5, 6, also der Se kundärsignale, berücksichtigt werden. Die subtraktiv ent standene Wechselspannungsamplitude wird mit einem Amplitu dendemodulator 8 gleichgerichtet, der als phasenempfindlicher Gleichrichter ausgeführt auch die Phasenkomponente berück sichtigt. Als Bezugsphasenlage wird in der Regel das Ansteu ersignal der Erregerspule 1 herangezogen.

Positionsabhängige Phasenfehler des Übertragers 7 in Relation zur Bezugsphasenlage der Ansteuerung der Erregerspule 1 haben beim Typ I-Sensor unmittelbar Einfluss auf die Genauigkeit der entstehenden Positionsinformation, die als Sensorausgangssignal epos am Ausgang des Demodulators 8 entsteht.

Für eine hinreichend linear verlaufende Positionskennlinie sollte beim Typ I-Sensor die erregerspulenseitige, d. h. primärseitig ansteuernde Quelle als Stromquelle konstanter Amplitude ausgeführt sein. Dies ist als nachteilig zu bewerten, denn im Vergleich zu einem Generator mit konstanter Span nungsamplitude ist der Schaltungsaufwand für eine Kon- stant-Wechselstromquelle in der Regel höher anzusetzen. Nachteilig ist weiterhin die direkte Abhängigkeit der Posi tionsgröße von der absoluten Amplitude des primärseitig an steuernden Stroms. Um Ungenauigkeiten im Positionssignal zu vermeiden, ist eine bzgl. der Stromamplitude hochstabile Primärquelle erforderlich. Eine Kompensation durch ratiomet rische Arbeitsweise existiert beim Typ I-Sensor diesbezüglich nicht. Da es der Typ I-Sensor aufgrund seines einfachen Aufbaus kaum ermöglicht , im Messprozess entstehende systematische Fehler zu kompensieren, sollte er nur für einfachere Anwendungen mit niedrigen Anforderungen eingesetzt werden.

Wegsensoren vom Typ II, wie in Fig. 3 dargestellt, unterscheiden sich in erster Linie von dem vorgenannten Typ I-Sensor in der Art und Weise der Auswertung der Sekundärsignale. Es werden zwei Amplitudendemodulatoren 8, 9 eingesetzt, die selektiv für jede Empfangsspule 5, 6 den Betrag der in die Empfangsspule 5, 6 induzierten Wechselspannung bilden. Die Phaseninformation kann entfallen. Die Weiterverarbeitung der erhaltenen Beträge der Sekundäramplituden zur Positionsinformation geschieht durch Anwendung der arithmetischen Operationen einer Differenzbildung 12 und einer Summenbildung 10. Mit der Bildung des Quotienten 11 aus Differenzsignal edif und Summensignal esum der Beträge erhält man schließlich das Positionssignal epos. Vielfach erfolgt die Signalverarbeitung ab den Eingängen der Amplitudendemodulatoren 8, 9 rein digital. Hierdurch sind Typ II-Wegsensoren besonders driftarm bei Änderungen der Umgebungstemperatur und zudem besonders langzeitstabil . Der erhöhte Aufwand beim Typ II-Sensor beinhaltet noch weitere Vorteile:

Als Ansteuersignalquelle 1 der Erregerspule kann ohne Nachteile ein einfach zu gestaltender Wechselspannungsgenerator mit vorzugsweise konstanter Amplitude eingesetzt werden. Dies ist möglich, weil mit der Quotientenbildung 11 eine Normierung auf die Summenamplitude für jeden einzelnen Messpunkt auf der Positionsachse vorgenommen wird. Dadurch erhält man die Vor teile, dass die Primäramplitude keinen Einfluss mehr auf den erhaltenen Positionswert epos ausüben kann. Zudem trägt das angewendete Normierverfahren trotz verwendeter Primärspan nungsquelle zu einer deutlichen Kennlinien-Linearisierung bei. Mit den Größen esum und edif stehen, neben der Positionsin formation, ohne dass Zusatzkosten entstanden sind, weitere Größen zur Verfügung, die für Zwecke der Fehlerdiagnose her angezogen werden können. Sensoren vom Typ II eignen sich aufgrund der Unabhängigkeit von der absoluten Primäramplitude, sowie den nicht ausgewerteten Phaseninformationen, die dadurch auch keinen Fehlerbeitrag leisten können, für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen .

Zur Herstellung des Wegsensors wird kann für den ersten Pro duktionszustand ein Leadframe 72 mit Kontaktbeinchen 74 aus gestanzt werden, der den Differentialtransformator auf dem oben genannten Verdrahtungsträger 42 mechanisch abstützen und ihn mit dem Schaltkreis 38 auf dem Verdrahtungsträger 42 elektrisch kontaktiert. Von den Kontaktbeinchen 74 sind in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen .

Anschließend wird in dem Leadframe 72 ein Funktionskern 76, der später zur Übertragung eines magnetischen Feldes zwischen Erreger- und Empfangsspulen 4, 5, 6 vorgesehen ist, angeordnet.

Es wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die den Differential transformator 48 im Wegsensor aus Fig. 4 in einem zweiten Produktionszustand zeigt.

Zur Herstellung des in Fig. 5 gezeigten zweiten Produktions zustandes wird der Leadframe 72 mit dem magnetischen Funkti onskern 76 mit einer Schutzmasse 78 umhüllt. Diese Schutzmasse 78 besteht in der vorliegenden Ausführung aus Duroplast, das idealerweise einen im Wesentlichen gleichen Ausdehnungskoef fizienten wie der magnetische Funktionskern 76 aufweist. Im Falle von Temperaturschwankungen werden so kaum mechanische Spannungen in den magnetischen Funktionskern 76 eingetragen.

Die Schutzmasse 78 wird dabei mit vier Trennelementen 80 ausgebildet, dass sie den magnetischen Funktionskern 76 in zwei äußere Wickelbereiche 82 und einen inneren Wickelbereich 84 unterteilen. Dabei sind die äußeren Wickelbereiche 82 kürzer ausgebildet, als der innere Wickelbereich 84.

Anschließend, wenn die Schutzmasse 78 beispielsweise ausgehärtet ist, können die Kontaktbeinchen 74 dann wie in Fig. 5 gezeigt in Richtung einer Unterseite des Differentialtransformators 48 gebogen werden.

Um nicht nur den Funktionskern 76, sondern auch den Rück schlusskern 77 im Wegsensor anordnen zu können, wird beim Spritzpressvorgang eine Ausnehmung bzw. Kavität 86 geformt, in die der Rückschlusskern dann eingelegt wird. Die Kavität 86 wird anschließend mit einem Deckel 88 verschlossen, beispielsweise festgeklebt oder verschraubt. Der Rückschlusskern 77 besteht aus einem kostengünstigen kristallinen Werkstoff, da er in der Kavität nicht dem Spritzdruck ausgeliefert ist, wie der Funktionskern 76.

Zur Fertigstellung des Differentialtransformators 48 werden in die Wickelbereiche 82, 84 auf den Differentialtransformator nicht weiter dargestellte Spulendrähte aufgewickelt . Eine Erregerspule wird dabei über alle Wickelbereiche 82, 84 hinweg aufgewickelt , während in je einen der äußeren Wickelbereiche 82 eine Empfangsspule, jeweils zueinander baugleich, aufgewickelt wird . In Fig. 6 ist die Kavität 86 in dem aus der Schutzmasse 78 gebildeten Gehäuse als Schnittansicht dargestellt. Dabei ist der Deckel 88, mit dem die Kavität 86 verschlossen ist, mit zwei Halteelementen 90 ausgestattet. Am Ende des einen Halteelements 90 befindet sich eine Klebestelle 91, an der der Rückschlusskern 77 an einem Ende festgeklebt ist. Das andere Ende des Rück schlusskerns wird durch das andere Halteelement 90 in Position gehalten. Die Kavität 86 ist so dimensioniert, dass an beiden Enden des Rückschlusskerns 77 genug Abstand zu den Wänden der Kavität verbleibt, dass der Rückschlusskern 77 sich thermisch ausdehnen kann. Außerdem ist der Rückschlusskern 77 auch über seine Längsausdehnung hinweg von der Kavität 86 beabstandet.

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Halteelement 90 mittig angeordnet und stellt die Klebestelle 91 bereit, an der der Rückschlusskern 77 befestigt ist. Die Hebelarme bis zu den Enden des Rück schlusskerns 77 sind dabei kürzer als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6. An den Enden wird eine Bewegung des Rückschlusskerns 77 durch weitere Halteelemente 90 eingeschränkt, die allerdings keine Klebestellen 91 aufweisen.