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Patent Searching and Data


Title:
SENSOR HEAD FOR A FORCE OR TORQUE SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/019859
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is to allow a practical suitability of a force or torque sensor and the applicability thereof for different uses with a low-cost production process at the same time. According to the invention, this is achieved by a sensor head (10) for a magnetoelastic force or torque sensor for measuring a force or a torque in a ferromagnetic body (9), comprising the following: a magnetic field-generating unit (14) for generating a magnetic field in the ferromagnetic body (9) and a magnetic field-measuring unit (16) for measuring a change in the magnetic field in the ferromagnetic body (9), wherein the magnetic field-generating unit (14) has an excitation coil (18) and a soft-magnetic excitation flux amplification element (20), and the magnetic field-measuring unit (16) has multiple measurement coils (22) with a soft-magnetic measurement flux amplification element (24). At least the excitation coils (18) and the measurement coils (22, 22a-22d) are integrated into a common integrated component, such as a printed circuit board element (26) and/or MEMS component (28) in particular.

Inventors:
SCHANZ, Christoph (Dr.-Gminder-straße 3, Frickenhausen, 72636, DE)
ZEISEL, Dieter (Bundtacherstrasse 44, 8127 Forch, 8127, CH)
Application Number:
EP2017/068814
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
July 25, 2017
Export Citation:
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Assignee:
TRAFAG AG (Industriestrasse 11, 8608 Bubikon, 8608, CH)
International Classes:
G01L1/12; G01L3/10; H01L41/12
Foreign References:
DE102014215723A12016-02-11
DE19929864A12001-01-04
DE4309413A11994-09-22
US2912642A1959-11-10
DE3031997A11982-03-11
US4503714A1985-03-12
EP0136086A21985-04-03
EP2397829B12016-04-27
EP2615422B12016-03-30
DE3031997A11982-03-11
EP0136086A21985-04-03
US4646576A1987-03-03
US4697459A1987-10-06
Other References:
"Electronic packaging", 25 July 2016
"Semiconductor packaging'' und ''Integrated circuit packaging", 25 July 2016
Attorney, Agent or Firm:
KASTEL PATENTANWÄLTE et al. (St. Cajetan Str. 41, München, 81669, DE)
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Claims:
Ansprüche:

1 . Sensorkopf (10) für einen magnetoelastischen Kraft- oder

Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper (9), umfassend:

eine Magnetfelderzeugungseinheit (14) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper (9) und eine Magnetfeldmesseinheit (16) zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem ferromagnetischen Körper (9),

wobei die Magnetfelderzeugungseinheit (14) eine Erregerspule (18) und ein weichmagnetisches Erreger-Flussverstärkungselement (20) aufweist,

wobei die Magnetfeldmesseinheit (16) mehrere Messspulen (22) mit einem weichmagnetischen Mess-Flussverstärkungselement (24) aufweist,

wobei wenigstens die Erregerspule (18) und die Messspulen (22, 22a-22d) in einem gemeinsamen integrierten Bauteil (26, 28) integriert sind.

2. Sensorkopf nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens die Erregerspule (18) und die Messspulen (22, 22a-22d) an einem gemeinsamen Leiterplattenelement (26) und/oder MEMS-Baustein (28) integriert sind.

3. Sensorkopf nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das weichmagnetische Erreger-Flussverstärkungselement ein

weichmagnetischer Erregerkern (20) ist, um den herum die Erregerspule (18) angeordnet ist und

dass die Messspulen (22) mit einem weichmagnetischen Messkern (24) als Mess- Flussverstärkungselement versehen sind.

4. Sensorkopf (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die Messkerne (24) einer ersten Messspule (22a) und einer zweiten

Messspule (22b) zum Bilden eines Magnetkreises mittels eines Jochs (34) aus weichmagnetischem Material verbunden sind, wobei das Joch (34) zumindest teilweise in das integrierte Bauteil (26, 28) eingelassen oder integriert ist, und insbesondere in einer Leiterplatte (36) eingelassen ist oder in einem MEMS- Baustein (28) integriert ist.

5. Sensorkopf (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Erregerkern (20) einen Flusskonzentrator (32) bildet, der als zentraler Magnetpol (30) zwischen wenigstens zwei Messspulen (22, 22a-22d) angeordnet ist.

6. Sensorkopf (10) nach Anspruch 4 und nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Erregerkern (20) mit dem Joch (34) in Kontaktverbindung steht.

7. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens eine ferritische Folie (42) vorgesehen ist.

8. Sensorkopf (10) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die ferritische Folie (42) eine Dicke von 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,5 mm oder 1 mm bis 2 mm hat.

9. Sensorkopf (10) nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die ferritische Folie (42) in das integrierte Bauteil eingebettet ist und/oder auf das Bauteil aufgebracht ist und/oder auf eine Leiterplatte, an der die Spulen ausgebildet sind, angebracht ist, insbesondere aufgeklebt ist.

10. Sensorkopf (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

dass die wenigstens eine ferritische Folie (42) zumindest einen Teil eines der weichmagnetischen Flussverstärkungselemente bildet.

1 1 . Sensorkopf (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 und nach einem der Ansprüche 4 bis 6,,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Erregerkern (20) und/oder die Messkerne (24) und/oder das Joch (34) durch die wenigstens eine ferritische Folie (42) gebildet ist.

12. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch einen ersten integrierten Baustein, insbesondere ein erstes Leiterplattenelement (26) oder einen ersten MEMS-Baustein (28), an dem wenigstens die Erregerspule (18) und mehrere Messspulen (22, 22a-22d) derart integriert vorgesehen sind, dass mehrere Magnetpole (30, 30a-30e) gebildet werden, und durch einen zweiten integrierten Baustein, insbesondere ein zweites Leiterplattenelement (26) oder einen zweiten MEMS-Baustein (28), in den wenigstens ein weichmagnetisches Material zum Verbinden und/oder Bilden von weichmagnetischen Kernen der Magnetpole (30, 30a-30e) eingelassen oder integriert ist, wobei der erste und der zweite integrierte Baustein miteinander verbunden sind.

13. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch eine integrierte Schaltung, insbesondere einen IC-Baustein, mit einer signalverarbeitenden Elektronik (4), die an dem integrierten Baustein, insbesondere dem Leiterplattenelement (26) oder dem MEMS-Baustein (28), angeordnet oder daran angebonded oder angelötet oder als integrierter Teil des integrierten Bausteins ausgebildet ist.

14. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die in dem integrierten Baustein (26, 28) integrierten Spulen (6) Windungen (40) aufweisen, die durch eine an einer Leitschicht (38) des integrierten Bausteins (26, 28) ausgebildete Spirale gebildet sind.

15. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens eine Erregerspule (18), eine erste Messspule (22a) und eine zweite Messspule (22b) Windungen (40) aufweisen, die durch eine gemeinsame Leiterschicht (38) des integrierten Bausteins, insbesondere des

Leiterplattenelements (26) oder des MEMS-Bausteins (28), gebildet sind.

16. Sensorkopf (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der integrierte Baustein mit den integrierten Spulen (6) und den

weichmagnetischen Flussverstärkungselementen (20, 24, 34, 42) durch ein Polymer umspritzt ist.

17. Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (10) für einen

magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper (9), welcher Sensorkopf (10) eine Magnetfelderzeugungseinheit (14) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper (9) und eine Magnetfeldmesseinheit (16) zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem ferromagnetischen Körper (9) umfasst, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit (14) eine Erregerspule (18) und ein weichmagnetisches Erreger-Flussverstärkungselement (20, 42) aufweist und die Magnetfeldmesseinheit (16) eine Messspule (22, 22a-22d) und ein

weichmagnetischen Mess-Flussverstärkungselement (24, 42) aufweist, umfassend die Schritte:

a) Vorsehen wenigstens einer Leiterplatte (36), Strukturieren einer Leitschicht (38) der Leiterplatte (36), um Windungen (40) der Erregerspule (18) und der Messspule (22, 22a-22d) auszubilden, oder

b) integriertes Ausbilden von Windungen (40) der Erregerspule (18) und der Messspule (22, 22a-22d) durch mikromechanische Fertigung und/oder Strukturierung und/oder additive Fertigungsverfahren.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

dass Schritt a) enthält: Einbetten eines weichmagnetischen Materials in die

Leiterplatte (36) zum Bilden der Flussverstärkungselemente (20, 24) und/oder dass Schritt b) enthält: integriertes Ausbilden von Windungen (40) der

Erregerspule (18) und der Messspule (22, 22a-22d) und der weichmagnetischen Kerne durch mikromechanische Fertigung und/oder Strukturierung und/oder additive Fertigungsverfahren.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,

dadurch gekennzeichnet,

dass Schritt a) enthält: Aufbringen, insbesondere Aufkleben, wenigstens einer ferritischen Folie (42) auf die Leiterplatte (36) zum Bilden der

Flussverstärkungselemente (20, 24).

20. Verfahren nach Anspruch 19,

gekennzeichnet durch wenigstens einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte:

20.1 Herstellen der wenigstens einen ferritischen Folie (42) in einem

Stanzprozess

20.2 Bereitstellen der wenigstens einen ferritischen Folie mit einer Dicke von 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 0,1 mm bis 2 mm oder 0,1 bis 0,5 mm und 1 mm bis 2 mm,

20.3 Bereitstellen einer Folie (42) aus oder mit einem Eisenoxyd.

21 . Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

Vorsehen einer zweiten Leiterplatte (36) mit einem eingelagerten

weichmagnetischen Material zum Bilden eines Magnetkreises mit Spulenkernen (20, 24) und Verbinden der ersten Leiterplatte (36) mit den Windungen (40) und der zweiten Leiterplatte (36) derart, dass wenigstens drei magnetisch miteinander verbundene Magnetpole (30, 30a-30e) mit Magnetpolkernen und zumindest teilweise durch die Leiterschicht (38) der ersten Leiterplatte (36) gebildeten, die Spulenkerne (20, 24) umgebenden Spulen (18, 20) gebildet werden.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

Vorsehen eines Chips mit einer signalverarbeitenden Elektronik (4) und elektrisches Verbinden von Anschlüssen des Chips mit den Spulen (18, 22), um so ein Sensorpackage (12) zu bilden.

23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch Umspritzen (5) zumindest der Leiterplatte (36) oder des durch mikromechanische Fertigung gebildeten integralen Bausteins (28) mit den Spulen (18, 22) und den Flussverstärkungselementen (20, 24) durch ein Polymermaterial.

Description:
Sensorkopf für einen Kraft- oder Drehmomentsensor

Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf für einen magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper.

Magnetoelastische Kraftsensoren oder Drehmomentsensoren sind beispielsweise aus der US 2 912 642, der DE 30 31 997 A1 oder der US 4 503 714 oder aus der EP 0 136 086 A2 bekannt. Weitere magnetoelastische Kraft- oder

Drehmomentsensoren sind in der EP 2 397 829 B1 oder der EP 2 615 422 B1 beschrieben.

Bei derartigen Sensoren erfolgt die Kraftmessung oder Drehmomentmessung mittels des magnetoelastischen Effekts. Magnetische Materialien zeigen eine enge Wechselwirkung zwischen ihren magnetischen und mechanischen Eigenschaften. So werden Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes, welches in einem

ferromagnetischen Körper induziert wird, durch Belastungen des Körpers verändert.

Magnetoelastische Sensoren weisen somit in der Regel eine

Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper und eine Messeinrichtung zum Messen einer

Magnetfeldänderung unter Belastung auf.

Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Grundprinzipien zum Aufbau des jeweiligen Sensorkopfes.

Bei einem ersten Aufbau, wie er beispielsweise in der US 2 912 642 gezeigt ist, wird das Magnetfeld an einem Magnetfeldjoch erzeugt, welches

Magnetfelderzeugungsspulen aufweist, wobei ein Messjoch mit Messspulen in einer sich zu dem Magnetfelderzeugungsjoch kreuzenden Richtung angeordnet ist. Bei dem zweiten möglichen Aufbau, wie er in der DE 30 31 997 oder der EP 0 136 086, dort Fig. 9A, gezeigt ist, ist eine Erregerspule zentral um einen

Erregerspulenkern herum angeordnet, der sich mittig zwischen Magnetpolen der Magnetfeldmesseinheit befindet. Die Kerne können dabei durch ein

weichmagnetisches Material verbunden sein.

Insbesondere weist die Magnetfelderzeugungseinheit einen Flusskonzentrator mit einem weichmagnetischen Erregerkern auf, der durch eine Erregerspule

hindurchgeführt ist.

Magnetoelastische Sensoren zeigen im Labor sehr gute Messergebnisse.

Obgleich dieses Messprinzip bereits seit Jahrzehnten bekannt ist, hat es jedoch in der Praxis kaum Anwendung gefunden.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diesen Umstand zu beseitigen und Kraftmesssensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip und

Drehmomentmesssensoren aufzubauen, die kostengünstig herstellbar sind und für unterschiedliche praktische Anwendungen geeignet sind.

Hierzu wird ein Sensorkopf nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes nach dem Nebenanspruch vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt einen Sensorkopf für einen magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper, umfassend:

eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper und eine Magnetfeldmesseinheit zum Messen einer

Magnetfeldänderung in dem ferromagnetischen Körper,

wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Erregerspule und ein

weichmagnetisches Erreger-Flussverstärkungselement aufweist, wobei die Magnetfeldmesseinheit mehrere Messspulen mit einem weichmagnetischen Mess-Flussverstärkungselement aufweist,

wobei wenigstens die Erregerspule und die Messspulen in einem gemeinsamen integrierten Bauteil integriert sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung schafft einen Sensorkopf für einen

magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper, umfassend:

eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper und eine Magnetfeldmesseinheit zum Messen einer

Magnetfeldänderung in dem ferromagnetischen Körper,

wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Erregerspule um einen

weichmagnetischen Erregerkern aufweist,

wobei die Magnetfeldmesseinheit mehrere Messspulen mit einem

weichmagnetischen Messkern aufweist,

wobei wenigstens die Erregerspule und die Messspulen an einem gemeinsamen integrierten Baustein integriert sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der integrierte Baustein ein

Leiterplattenelement. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der integrierte Baustein ein MEMS-Baustein.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Spulen in Leiterplattentechnik an einem Leiterplattenelement ausgebildet sind. Es sind aber auch andere Möglichkeiten zum gemeinsamen integralen Aufbau der Spulen in einem Baustein denkbar, wie MEMS-Techniken, Halbleiterfertigungstechniken oder additive

Fertigungsverfahren.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Spulen aus Planarspulen aufgebaut, die in einer Leiterschicht des integrierten Bausteins ausgebildet sind. Mehrere mit Planarspulen versehene Leiterschichten können mit entsprechend isolierenden Zwischenlagen zu einem Spulenpaket zusammengefasst werden. Vorzugsweise ist hierzu in einer Leiterschicht eine Planarspule zum Bilden zumindest eines Teils einer ersten Messspule und eine Planarspule zum Bilden einer zweiten Messspule und/oder einer Erregerspule in einer Ebene angeordnet. Durch Anordnung mehrerer solcher Leiterschichten mit mehreren Planarspulen können gleichzeitig Spulenpakete zum Bilden einer ersten Messspule und einer zweiten Messspule und/oder einer Erregerspule gleichzeitig aufgebaut werden.

Bisher sind die Spulen aufwändig gewickelt und einer der größten Kostenfaktoren für derartige Sensorköpfe. Mit der Erfindung lassen sich durch integrierte

Fertigung der Spulen erheblicher Arbeitsaufwand und erheblichen Kosten einsparen. Außerdem kann so der Sensorkopf oder zumindest dessen

Spuleneinheit industriell in Großserie gefertigt werden. Die Spuleneinheit kann sehr kompakt aufgebaut werden. Vorteilhaft können Packaging-Verfahren zum Schutz des Sensorkopfes durchgeführt werden.

Bei einer Ausgestaltung mit Aufbau in Leiterplattentechnik wird ein

Leiterplattenelement, das eine leitfähige Schicht und eine aus einem Isolator gebildete Trägerschicht aufweist vorgesehen, dann wird wenigstens eine

Planarspule an der leitfähigen Schicht, z.B. durch lithografische Techniken hergestellt. Mehrere solcher Leiterplatten können zu einem Paket gestapelt werden, wobei die einzelnen Leiterschichten mit den Planarspulteilen durch Vias kontaktiert werden können. Magnetische Kerne können durch Ausbilden von Kavitäten und Füllen mit ferromagnetischen Materail ausgebildet werden.

In einer alternativen Bauweise werden Isolatorschichten und Leiterstrukturen zum Bilden der Spulen schichtweise mit generativen Fertigungstechniken und/oder mit aus der Halbleitertechnik zum Aufbau von integrierten Schaltkreisen bekannten Techniken aufgebaut. Der Aufbau kann auch hier vorteilhaft so geschehen, dass in einer gemeinsamen Ebene Leiterschichten derart strukturiert aufgebracht werden, dass mehrere Planarspulen nebeneinander zum Bilden einer ersten Messspule und einer zweiten Messspule und/oder einer Erregerspule gebildet werden. Mehrere solche mit Planarspulen versehene Schichten mit

Isolationsschichten dazwischen können zu Spulenpaketen aufgebaut werden. Dies kann in generativer Weise Schicht für Schicht geschehene, oder es werden Einzelplatten mit wenigstens einer Leiterschicht mit Planarspulenbereichen und einer Isolationsschicht aufgebaut und dann miteinander zu einem Paket verbunden. Auch hier kann es Durchgänge durch die Isolationsschichten zur elektrischen Verbindung mittels leitfähiger Vias geben. Magnetische Kerne können auch durch entsprechenden Materialauftrag, z.B. in Maskentechnik oder über Pulverauftrag und Lasersintern aufgebracht werden. Alternativ können Kavitäten gefertigt werden und mit weichmagnetischen Materialien befüllt werden.

Es ist bevorzugt, dass die Messkerne einer ersten Messspule und einer zweiten Messspule zum Bilden eines Magnetkreises mittels eines Jochs aus

weichmagnetischem Material verbunden sind.

Es ist bevorzugt, dass das Joch zumindest teilweise in den integrierten Baustein eingelassen ist oder darin integriert ist. Insbesondere ist das Joch in einer

Leiterplatte eingelassen oder in einem MEMS-Baustein integriert.

Es ist bevorzugt, dass der Erregerkern einen Flusskonzentrator bildet, der als zentraler Magnetpol zwischen wenigstens zwei Messspulen angeordnet ist.

Es ist bevorzugt, dass der Erregerkern mit dem Joch in Kontaktverbindung steht.

Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine ferritische Folie vorgesehen ist.

Es ist bevorzugt, dass die ferritische Folie eine Dicke von 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,5 mm oder 1 mm bis 2 mm hat.

Es ist bevorzugt, dass die ferritische Folie in das integrierte Bauteil eingebettet ist und/oder auf das Bauteil aufgebracht ist und/oder auf eine Leiterplatte, an der die Spulen ausgebildet sind, angebracht ist, insbesondere aufgeklebt ist.

Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine ferritische Folie zumindest einen Teil eines der weichmagnetischen Flussverstärkungselemente bildet. Es ist bevorzugt, dass der Erregerkern und/oder die Messkerne und/oder das Joch durch die wenigstens eine ferritische Folie gebildet ist.

Bevorzugt umfasst der Sensorkopf einen ersten integrierten Baustein - wie insbesondere ein erstes Leiterplattenelement oder einen ersten MEMS-Baustein - , an dem wenigstens die Erregerspule und mehrere Messspulen derart integriert vorgesehen sind, dass mehrere Magnetpole gebildet werden, und einen zweiten integrierten Baustein - wie insbesondere ein zweites Leiterplattenelement oder einen zweiten MEMS-Baustein -, in den wenigstens ein weichmagnetisches Material zum Verbinden und/oder Bilden von weichmagnetischen

Flussverstärkungselementen wie insbesondere Kerne der Magnetpole

eingelassen oder integriert ist, wobei der erste und der zweite integrierte Baustein miteinander verbunden sind.

Bevorzugt umfasst der Sensorkopf eine integrierte Schaltung mit einer

signalverarbeitenden Elektronik, die an dem integrierten Baustein wie

insbesondere dem Leiterplattenelement oder dem MEMS-Baustein angeordnet oder daran angebonded oder angelötet oder darin integriert ist.

Es ist bevorzugt, dass die Baustein integrierten Spulen Windungen aufweisen, die durch eine an einer Leitschicht des Bausteins ausgebildete Spirale gebildet sind.

Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine Erregerspule, eine erste Messspule und eine zweite Messspule Windungen aufweisen, die durch eine gemeinsame

Leiterschicht des integrierten Bausteins - wie insbesondere des

Leiterplattenelements oder des MEMS-Bausteins - gebildet sind.

Es ist bevorzugt, dass der integrierte Baustein, wie z.B. das Leiterplattenelement bzw. der MEMS-Baustein, mit den integrierten Spulen und den

weichmagnetischen Kernen durch ein Polymer umspritzt ist.

Die hier vorliegende Erfindung ist für unterschiedliche Basisprinzipien zum Aufbau des Drehmomentsensors einschließlich der Bauart mit sich kreuzenden Jochen als auch der Bauart mit zentralem Flusskonzentrator geeignet. Besonders bevorzugt weist der erfindungsgemäße Sensorkopf den Aufbau wie aus der DE 30 31 997 A1 gezeigt auf. Vorzugsweise sind hierzu ein mittiger Erregerkern und eine Mehrzahl von Messpolpaaren vorgesehen. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei Messpolpaare vorgesehen; der Sensorkopf funktioniert aber auch mit drei Magnetpolen, also beispielsweise einem Erregerpol und zwei Messpolen.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für einen magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper, welcher Sensorkopf eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper und eine

Magnetfeldmesseinheit zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem

ferromagnetischen Körper umfasst, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Erregerspule und ein weichmagnetisches Erreger-Flussverstärkungselement aufweist und die Magnetfeldmesseinheit eine Messspule und ein

weichmagnetischen Mess-Flussverstärkungselement aufweist, umfassend die Schritte:

a) Vorsehen wenigstens einer Leiterplatte, Strukturieren einer Leitschicht der Leiterplatte, um Windungen der Erregerspule und der Messspule

auszubilden, oder

b) integriertes Ausbilden von Windungen der Erregerspule und der Messspule durch mikromechanische Fertigung und/oder Strukturierung und/oder additive Fertigungsverfahren.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes für einen magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper, welcher Sensorkopf eine Magnetfelderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper und eine

Magnetfeldmesseinheit zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem

ferromagnetischen Körper umfasst, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Erregerspule um einen weichmagnetischen Erregerkern aufweist und die

Magnetfeldmesseinheit eine Messspule um einen weichmagnetischen

Messmagnetpolkern aufweist, umfassend die Schritte:

a) Vorsehen wenigstens einer Leiterplatte und Strukturieren einer Leitschicht der Leiterplatte, um Windungen der Erregerspule und der Messspule auszubilden, oder

b) integriertes Ausbilden von Windungen der Erregerspule und der Messspule durch mikromechanische Fertigung und/oder Strukturierung und/oder durch generative Fertigungsverfahren.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) enthält: Aufbringen, insbesondere Aufkleben, wenigstens einer ferritischen Folie auf die Leiterplatte zum Bilden der

Flussverstarkungselemente.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt:

Herstellen der wenigstens einen ferritischen Folie in einem Stanzprozess.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt:

Bereitstellen der wenigstens einen ferritischen Folie mit einer Dicke von 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 0,2 mm bis 2 mm oder 0,1 bis 0,5 mm und 1 mm bis 2 mm.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt:

Bereitstellen einer Folie aus oder mit einem Eisenoxyd.

Vorzugsweise umfasst Schritt a): Einbetten eines weichmagnetischen Materials in die Leiterplatte zum Bilden der Kerne bzw. der Flussverstarkungselemente.

Vorzugsweise umfasst Schritt b): integriertes Ausbilden von Windungen der Erregerspule und der Messspule und der weichmagnetischen

Flussverstarkungselemente wie z.B. der Kerne durch mikromechanische Fertigung und/oder Strukturierung (MEMS) und/oder durch generative Fertigungsverfahren.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren: Vorsehen einer zweiten Leiterplatte mit einem eingelagerten weichmagnetischen Material zum Bilden eines Magnetkreises mit den Flussverstärkungselementen (z.B. Kernen) und Verbinden der ersten Leiterplatte mit den Windungen und der zweiten Leiterplatte derart, dass wenigstens drei magnetisch miteinander verbundene Magnetpole mit Magnetpolflussverstärkern und zumindest teilweise durch die Leiterschicht der ersten Leiterplatte gebildeten, den

Flussverstärkungselementen zugeordneten Spulen gebildet werden.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren:

Vorsehen eines Chips mit einer signalverarbeitenden Elektronik und elektrisches Verbinden von Anschlüssen des Chips mit den Spulen, um so ein Sensorpackage zu bilden.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren:

Umspritzen zumindest der Leiterplatte oder des durch mikromechanische

Fertigung gebildeten integralen MEMS-Bausteins mit den Spulen und den

Flussverstärkungselementen durch ein Polymermaterial.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Sensorpackage

umfassend ein magnetisch-induktiv messendes Sensorelement (vorzugsweise mit Spulen und Ferritkern), das vorzugsweise in einer Leiterplatte (pcb = printed circuit board) integriert ist, und eine ebenfalls integrierte signalverarbeitende Elektronik für den Zweck einer berührungslosen, magnetisch induktiven Kraft- oder

Drehmomentmessung in einem ferromagnetischen Körper. Das gesamte Package kann dabei wahlweise mit einem Polymer umspritzt oder als„Huckepack-System" ausgeführt werden.

Die so erhältlichen Chip-Packages sind sehr attraktiv wegen Kosten und

potenzieller Massenanwendungen. Mögliche Einsatzgebiete sind z.B. E-Bikes, E-Wheelys, Elektromotoren, Torque Vectoring und Messung anderer Kraft-, Biege-, Zug-, Druckkräfte.

Gemäß einer Ausgestaltung wird der Sensorkopf mit Packaging-Verfahren hergestellt. Vorzugsweise werden Technologien eingesetzt, wie sie für das Packaging von Halbleiterbauelementen bekannt sind. Es wird hier explizit für weitere Einzelheiten auf Wikipedia,„Electronic packaging", abgerufen am

25.07.2016 und Wikipedia,„Semiconductor packaging" und„Integrated circuit packaging", abgerufen am 25.07.2016 verwiesen.

Besonders bevorzugt wird die Magnetfelderzeugungseinheit sowie die

Magnetfeldmesseinheit in einem integrierten Baustein mittels mikromechanischer Fertigungsverfahren oder mittels Leiterplattentechnik implementiert.

Insbesondere können die Spulen als Scheibentyp-Spulen an Leiterschichten entweder additiv oder durch Wegnahme von Material hergestellt werden.

Insbesondere werden einzelne Windungen spiralförmig hergestellt; eine größere Anzahl von Windungen kann durch ein Hintereinanderschalten mehrerer auf unterschiedlichen Ebenen ausgebildeten Spiralstrukturen erzeugt werden.

So können mehrere Leiterplatten mit Spiralstrukturen aufeinandergestapelt werden und durch Durchgangskontaktierungen miteinander verschaltet werden. Auch kann weichmagnetisches Material zum Bilden von Kernen und Jochen zwecks Erzeugen von Magnetkreisen, wie sie vom Grundaufbau her in der US 2 912 642, der DE 30 31 997 A1 , der US 4 503 714, der US 4 646 576 oder der US 4 697 459 gezeigt sind, durch mikromechanische und/oder additive Fertigungsverfahren hergestellt werden.

In besonders bevorzugter Weise enthält ein entsprechend durch

mikromechanische und/oder additive Fertigungsverfahren hergestellter

Sensorkopf ein Sensor-Packaging einschließlich eines integrierten Schaltkreises mit einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit. Diese kann beispielsweise als ASIC ausgebildet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Sensorkopf gemäß einer ersten

Ausführungsform; Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Sensorkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen Sensorkopf gemäß einer dritten

Ausführungsform;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Bauteils zum

Bilden des Sensorkopfes; und

Fig. 6 einen Ansicht wie in Fig. 5, die den entsprechenden Baustein der Fig.

5 bei der Ausgestaltung gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 zeigt.

Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Sensorkopfs 10 für einen magnetoelastischen Kraft- oder Drehmomentsensor zum Messen einer Kraft oder eines Drehmoments in einem ferromagnetischen Körper 9.

Der Sensorkopf 10 ist durch ein Sensorpackage 12 gebildet, das durch

Packagingverfahren aufgebaut ist. Weiter erfolgt die Fertigung mit

mikromechanischen Fertigungsmethoden (MEMS), additiver Fertigung oder in Leiterplattentechnik. Auch Kombinationen sind möglich.

Der Sensorkopf 10 umfasst eine Magnetfelderzeugungseinheit 14 zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem ferromagnetischen Körper 9 und eine

Magnetfeldmesseinheit 16 zum Messen einer Magnetfeldänderung in dem ferromagnetischen Körper 9.

Die Magnetfelderzeugungseinheit 14 weist eine Erregerspule 18 und ein

Flussverstärkungselement auf. Bei den Ausgestaltungen der Fig. 1 bis 4 ist die Erregerspule 18 um einen weichmagnetischen Erregerkern 20 herum vorgesehen, bei der Ausgestaltung von Fig. 5 ist zum Bilden des Flussverstärkungselements anstelle des Erregerkerns 20 oder bei anderen, nicht dargestellten Ausführungen zusätzlich zu dem Erregerkern 20 wenigstens eine ferritische Folie 42 vorgesehen.

Die Magnetfeldmesseinheit 16 weist mehrere Messspulen 22 auf, die jeweils ein weichmagnetischen Flussverstärkungselement wie insbesondere einen Messkern 24 oder einen Bereich wenigstens einer ferritischen Folie 42, umfassen.

Die Erregerspule 18 und die Messspulen 22 sind an einem gemeinsamen

Leiterplattenelement 26 und/oder integrierten Baustein, insbesondere MEMS- Baustein 28, integriert aufgebaut.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele des Sensorkopfes 10 mit insgesamt fünf Magnetpolen 30 dargestellt, wobei ein zentraler erster Magnetpol 30a Teil der Magnetfelderzeugungseinheit 14 ist und die Erregerspule 18 und das Erreger- Flussverstärkungselement wie den Erregerkern 20 oder einen Bereich der wenigstens einen ferritischen Folie 42 aufweist. Der erste Magnetpol 30a wirkt als Flusskonzentrator 32 zum Konzentrieren des durch die Erregerspule 18 erzeugten magnetischen Flusses in der Oberfläche des zu messenden Messgegenstandes 9.

Die weiteren Magnetpole 30b bis 30e sind die Pole der Magnetfeldmesseinheit 16. In den hier dargestellten Ausführungsformen weist die Magnetfeldmesseinheit 16 jeweils zwei Magnetpolpaare 30b-30c, 30d-30e zum Messen der Magnetfelder in unterschiedlichen Ausrichtungen auf. Eine andere, hier nicht näher dargestellte Ausführungsform kommt mit nur zwei Magnetpolen der Magnetfeldmesseinheit 16 aus; hier sind der vierte Magnetpol 30d und der fünfte Magnetpol 30e

weggelassen.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen sind alle Magnetpole 30 mit Kernen versehen, wobei die Kerne des zweiten bis fünften Magnetpols die Messkerne 24 bilden und durch die jeweiligen Messspulen 22a bis 22d umgeben sind. Der Kern des ersten Magnetpols 30a ist der Erregerkern 20, der durch die Messspule 22 umgeben ist. Alle Kerne 24, 20 sind durch weichmagnetisches Material gebildet. Zumindest die Kerne der Magnetpolpaare 30a-30b oder 30c-30d der Magnetfeldmesseinheit 16 sind miteinander zu einem Joch aus weichmagnetischem Material verbunden. Das weichmagnetische Material ist insbesondere durch einen Ferritkern 3 gebildet.

In den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen sind alle Magnetpole 30a-30e durch den Ferritkern 3 verbunden; dieser kann eine topfförmige oder sternförmige Gestalt haben, wobei die Messkerne 24 bzw. der Erregerkern 20 durch entsprechend zu einer Richtung vorstehende Vorsprünge gebildet sind, um die die jeweiligen Spulen 22, 22a-22d vorgesehen sind.

Die Spulen 22, 22a-22d sind als in dem integrierten Baustein, also insbesondere in dem Leiterplattenelement 26 oder in dem MEMS-Baustein 28, integrierte Spulen 6 ausgebildet.

Insbesondere weist das Leiterplattenelement 26 wenigstens eine gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board, kurz PCB) auf, die einen Träger aus

Isoliermaterial und wenigstens einer Leiterschicht 38 aufweist.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Leiterschicht 38 derart strukturiert, dass

Windungen 40 der integrierten Spulen 6 ausgebildet sind. Die Windungen 40 sind insbesondere spiralförmig ausgebildet, wobei an den Enden Kontaktpads ausgebildet sind, wobei einer der Kontaktpads durch eine

Durchgangskontaktierung durch die Isolationsschicht geführt ist. Durch

Aufeinanderlegen und Hintereinanderschalten mehrerer derartiger Leiterplatten 36 mit den entsprechend spiralförmig gebildeten Windungen 40 können die integrierten Spulen 6 mit einer Vielzahl von Windungen 40 ausgebildet werden.

Die Innenräume zentral zwischen den Windungen 40 können z.B. ausgebohrt werden und mit ferromagnetischem Material zum Bilden des Ferritkerns 3 aufgefüllt werden.

Der Ferritkern kann auch durch additive Fertigungsverfahren oder durch andere Packaging-Verfahren oder mikromechanische Fertigungsverfahren in das

Sensorpackage 12 eingebracht werden. Insgesamt kann der Sensorkopf 10 mit den integrierten Spulen 6 und dem ferromagnetischen Material zum Bilden des Jochs 34 und der Kerne 20, 24 in mikromechanischer Fertigung aufgebaut werden.

Bei allen Ausführungsformen weist das Sensorpackage 12 darüber hinaus eine signalverarbeitende Elektronik 4, insbesondere in Form einer integrierten

Schaltung, vorzugsweise in Form eines IC-Bausteins, mehr insbesondere in Form eines ASICs, auf, die in den Sensorkopf 10 integriert ist. Auch hierzu werden vorzugsweise Packaging-Verfahren und/oder mikromechanische

Fertigungsverfahren verwendet. Vorzugsweise ist die signalverarbeitende

Elektronik 4 mittels eines Arrays von Lötkugeln 1 an die jeweiligen Kontakte der integrierten Spulen 6 angeschlossen.

Das Leiterplattenelement 26 bzw. der MEMS-Baustein 28 mit der

signalverarbeitenden Elektronik 4 kann mittels eines polymeren Materials umspritzt sein, wie dies bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 als

Umspritzung 5 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt eine„Huckepack-Anordnung" des Leiterplattenelements 26 bzw. des MEMS-Bausteins 28 mit den integrierten Spulen 6 und dem integrierten Ferritkern 3 auf der signalverarbeitenden Elektronik 4.

Die signalverarbeitende Elektronik 4 kann mittels Draht oder Kabel 7 oder einer sonstigen leitenden Verbindung mit einer Auswerteeinheit 8 verbunden sein. Diese Auswerteeinheit (ECU - Electrical Control Unit) kann einen Speicher und einen Prozessor enthalten.

Um das Magnetfeld in magnetisch Induktiven Sensoren zu lenken, ist ein ferritisches Material vorgesehen. Bei den Fig. 1 bis 4 kann dafür der Einsatz von üblichen Materialien wie z.B. gesinterten Ferriten zum Bilden von

Flussverstärkungselementen wie insbesondere Kernen und Joche vorgesehen sein. Derartige gesinterte Ferrite haben den Nachteil, dass die Ferrite spröde sind und starr, d.h. sie können nicht in jeder Form hergestellt werden und können durch mechanische Schocks zerstört werden. Bei der Ausgestaltung von Fig. 5 ist daher wenigstens eine ferritische Folie 42 als ferritisches Material vorgesehen. Hier ist insbesondere eine ferritische Folie 42 zum Bilden von

Flussverstärkungselementen anstelle der Kerne 20, 24 und/oder zum Bilden des Joches oder anstelle des Joches 34 vorgesehen.

Eine Ferritische Folie 42 kann durch einen Stanzprozess in der beliebigen Größe und Dimension hergestellt werden und aufgeklebt werden. Durch den Einsatz der ferritischen Folie 42 können deutlich flexiblere Dimensionen in der Ausgestaltung des Sensors erreicht werden.

Die ferritische Folie hat einen Durchmesser von wenigen 1/10mm (bis hin zu 1 -2 mm bei höheren Leistungen) und wird auch für Abschirmzwecke verwendet, d.h. die Störempfindlichkeit der geringen Signale (typischerweise im zweistelligen mV Bereich) wird deutlich herabgesetzt. Materialien sind typischerweise Eisenoxyde (wie Magnetband, Material für Tonbandkassetten oder dergleichen).

Ansonsten kann der in Fig. 5 gezeigte Baustein alle anhand der Ausführungen der Fig. 1 bis 4 erläuterten Merkmale und Elemente aufweisen und in dem Sensorkopf 10 eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt als Vergleich zu Fig. 5 die gleiche Ansicht für den entsprechenden Baustein mit gesintertem Ferrit, wie er in den zuvorigen Ausführungen verwendet sein kann. Wie ersichtlich kann der Baustein von Fig. 5 die entsprechenden Bausteine der Fig. 1 bis 4 ersetzen.

Ein Vergleich der Fig. 5 und 6 zeigt auch, dass die ferritische Folie 42 räumlich sich über die Orte der Kerne der Spulen hinaus erstrecken kann.

Bezugszeichenliste:

1 BGA Ball Grid Array, Lötkugeln

2 PCB mit integrierter Spule

3 In PCB eingelassener Ferritkern

4 Signalverarbeitende Elektronik (ASIC)

5 Moldcompound (Umspritzung)

6 Integrierte Spulen

7 Draht oder Kabel (Leitende Verbindung)

8 Auswerteeinheit ECU (electrical control unit), Speicher, Prozessor

9 Messgegenstand (Welle, Zylinder, ferromagnetischer Körper)

10 Sensorkopf

12 Sensorpackage

14 Magnetfelderzeugungseinheit

16 Magnetfeldmesseinheit

18 Erregerspule

20 Erregerkern

22 Messspule

22a erste Messspule

22b zweite Messspule

22c dritte Messspule

22d vierte Messspule

24 Messkern

26 Leiterplattenelement

28 MEMS-Baustein

30 Magnetpol

30a erster Magnetpol

30b zweiter Magnetpol

30c dritter Magnetpol

30d vierter Magnetpol

30e fünfter Magnetpol

32 Flusskonzentrator

34 Joch

36 Leiterplatte

38 Leiterschicht Windungen ferritische Folie