CN102667411B - 旋转角传感器系统与其制造方法 - Google Patents

Abstract

采用集成的多部件组件注射模制，具有高传感精度的两部件磁旋转角传感器系统（15）在工具中非常有效地整体制成为可直接应用的功能单元，所述传感器系统包括在第一区段中作为被动发射器部件（16）的聚合物粘合永磁体，其可相对于主动传感器接收器部件（17）的材料旋转，该材料被喷涂在其上并然后随封装的接收器（22）收缩。为此，采用粘性互不相容的注射模制材料，并且由于收缩而在互相接触区域上彼此抬离。

Description

旋转角传感器系统与其制造方法

技术领域

本发明涉及一种旋转角传感器系统，其包括：紧邻发射器部件的接收器部件，所述接收器部件带有磁场接收器，所述发射器部件能够相对于所述接收器部件旋转，并带有聚合物粘合注射模制的永磁体作为发射器。

背景技术

这种方法从FR 2 583 514 A1中已知。那里，形成对照的是，在旋转发射器盘径向外侧，固定定位的接收器在结构设计方面细节上未公开。接收器可为霍尔元件的形式，从而在必要时，即使发射器盘是静止的也能接收传感器信号。发射器盘位于与其集成、只是更小的皮带轮的轴向延伸上。沿其外周，发射器盘配备有大量互相隔开的槽，配备有可磁化微粒的塑料（未详细指定）注射到所述槽内。由于这种塑料磁体牢固地粘合在盘槽内，使发射器盘具有完全平的外周表面，尽管针对所固定的接收器气隙非常小，这种发射器盘据说也能以非常高的速度旋转而不需要保护外壳，因为旋转的发射器盘与固定的接收器之间的碰撞不再是威胁。DE 10120735 C2公开了齿轮马达，其例如用于车辆或工厂中的电动致动元件。对于用于位置控制目的的反馈，在通过塑料注射模制制造的传动部件内，再次提供了两部件传感器系统（即作为被动发射器部件的永磁体和配备有能够依靠磁场受到影响的半导体元件的主动接收器部件）。这里，这些部件已经插入在所指定的传动部件的各自注射模具内，并在其中被模制或涂敷。对于发射器部件，已经预见通过使用多部件注射模制操作在旋转的传动部件内将其集成为聚合物粘合的永磁体。

尽管有技术上的好处，但此过程在连续生产程序上也仍具有严重的缺陷，因为传感器系统的发射器部件和接收器部件是分别生产的并随后仅在传动装置的装配过程中一个一个安装的。这很耗时，尤其是考虑到调节以及必要时的校准要求，这种要求完成了功能关键的误差链，即关于传感器系统那些相对于彼此可移动的部件的功能性交互。这是相当严重的成本因素，尤其是在紧凑构建单元的情况下。

考虑到这些因素，本发明基于实现通用型的旋转角传感器系统的技术问题，所述旋转角传感器系统由于提高的精度而具有更广的使用范围并且由于最小化的装配要求而具有更大的成本效益。

根据具有下述特征的旋转角传感器系统来实现该目的：在轴作为接收器部件和能够与其相反地旋转的发射器部件之间的中央连接部件的情况下，传感器系统是发射器部件与注射模制的接收器部件的组合，发射器部件由聚合物喷涂，接收器部件由与聚合物粘性不相容且收缩的塑料制成。据此，传感器系统本身通过所谓的组装注射模制用其两个相互可移动的部件而生成。为此，独立的铸造、烧结并磁化的、聚合物粘合的永磁体可以作为发射器部件插入到接收器部件的注射模具中，扩大所述注射模具的腔体。进入容纳发射器部件的模具中，塑料随后被注射以形成包括同样插入在模具内的接收器的接收器部件。一方面发射器部件以及另一方面发射器部件的材料因尽可能的不粘在一起的倾向而得以区分；其中在接收器部件的注射模制中，它们相邻材料的初始静接触面的机械分离得到接收器部件的材料的强收缩特性的帮助。

一方面作为发射器部件的永磁体和另一方面传感器系统的接收器部件内的半导体接收器元件被插入到注射模具内，并以手工或可优选利用自动操纵器的方式在其内定位；此定位可优选地以下面的方式进行：即使在用接收器部件材料进行涂敷后，到传感器系统的接收器元件的功能上必需的电连接（为了其布线）仍保持从接收器部件外面可直接访问。

根据本发明优选的改进，发射器部件的永磁体不是单独制造从而仅在随后实现用于接收器部件的注射模具的腔体，而是代之以实现在作为从连续的注射材料的多部件组件注射模制的一部分的工具内，作为单件的两部件传感器系统的一部分而实现。关于这些，发射器部件初始注入并同时固化的材料随后形成注射模具的前述腔体增大，用于接下来注射接收器部件的材料。在这种情况下，最好在半导体接收器元件的插入与涂敷之前，通过极强的磁场强度进行固化在注射模具内的发射器部件的永磁化，从而不给此元件或其接下来的调整步骤增加负担，并从而不因此而可能影响其以后的功能。

以聚合物粘合永磁体（所谓PBM）形式作为被动传感器部分的永磁体发射器可优选地在塑料注射模制的第一次注射模制中直接在用于两部件的传感器系统的注射模制组装工具内制造。该发射器部件在此可优选地由用磁性硬填料高掺杂（通常体积上超过30%）的高性能聚合物基质构成。对于该聚合物基质，优选地使用派生自氨基酸的合成的部分结晶聚合物，非纤维聚酰胺颗粒或可注射模制的聚苯硫醚。对于其高比例的掺杂，可采用铁素体，但较好还是诸如细结晶钕铁硼或钐钴这样的稀土磁性材料。

在材料和工艺方面，采用与发射器部件的聚合物粘性不相容的塑料作为在组装注射模制后相对于发射器部件可旋转的接收器部件的注射模制材料。为此，诸如聚对苯二甲酸丁二酯这样的聚酯以其良好的耐磨特性，及高刚性与继而的良好尺寸稳定性可优选地被纳入考虑。不过，高分子量的甲醛减少的塑料（formaldehydride-reduced plastic），诸如聚甲醛，由于其低摩擦系数及冷却后的高尺寸稳定性，也非常适合用于将接收器部件注射模制到已注射模制的发射器部件上—由强收缩特性而与高掺杂聚合物基质显著不同的任何注射模制材料。

注射模制到接收器部件内的半导体接收器元件轴向相邻永磁发射器部件。如果该传感器系统要安装在贯通轴上的话，其径向上偏离所述发射器部件的旋转轴线。

相比之下，如果端面安装在加伸轴之前或是直接安装在设备上，传感器不需要有贯通的开口；在这种情况下，接收器可优选地接着发射器部件同轴地铸造到接收器部件内。对于这种传感器系统的设备侧安装，一旦完成基于设备的安装和连接构造，其注射模制的接收器部件最好依据获得的设备结构条件而调整。

除此之外，接收器部件，连带其接收器元件的铸件，可以同时设计为传感器系统的保护性外壳；并且，如果需要的话，用该结构，还回握发射器部件，以避免在两部件的传感器系统的脱模过程中碎裂，所述传感器系统是通过在单一工具内组件注射模制而整体制造。

根据霍尔效应或优选地按照磁阻效应对平行于接收器平面的瞬磁场作出反应标准的、可商购的半导体的元件作为实际的接收器元件，能够在不同的桥接电路中找到针对磁场依赖的旋转角测定的应用。这样的接收器元件作为可直接使用形式的已校准混合模块已视情况由预处理电路补充，所述电路用于给实际的实体接收器元件提供电流并转化由此生成并调节后发射且优选地线性依赖于旋转角位置的电信号。

为了确定发射器部件的磁偶极子场朝向是主要平行于轴线还是主要为径向地，以及是否只根据发射器偶极子相互作用的数目（必要时考虑旋转方向）计数旋转角步骤，或两个连续步骤之间的角位置是否也应由根据角位置的方式在接收器内刚刚产生的磁场强度插值，在传感器系统的接收器部件内，接收器的空间布局可以进一步优化。

附图说明

本发明方案的另外的备选和细化出自进一步的权利要求，并且，关于它们的优点，出自本发明优选示出的实施例的以下说明，这些实施例在附图中不完全按真实比例绘制，并高度抽象表示，限制为功能上重要的部分；同时，在此基础上，说明用于两部分、单件传感器系统注射模制生产工艺的本发明的注射模制顺序。在附图中：

图1示出电动致动器的轴向纵向剖面，其中，在整个本申请中，在其轴上装配有本发明的旋转角传感器系统，以及

图2示出这种传感器系统的实施例，该实施例是改进了端面连接的装备，其中图2a在紧接着组件注射模制后，然后图2b在注射模制材料的材料收缩后。

具体实施方式

在此，致动器12的输出轴11安装在其轴承护罩13与设备应用（equipment application）14之间，例如所述设备应用14以在车辆或工厂中的传动装置、转板或类似的可旋转结构元件的形式，其中通过塑料组件注射模制两部分的永磁传感器系统15制造成一件。其具有以旋转刚性方式形状配合地或非形状配合地连接到轴11的发射器部件16，以及相对于所述发射器部件可旋转的接收器部件17；所述接收器部件，在该举例性说明中如致动器12，应固定地设置—不过它也可以例如随接收器22的注射模制环绕物27直接装到应用14，然后可例如也绕后者相对致动器12旋转。图1中考虑了通常的固定接收器部件17能够以外壳的形式至少部分地包住发射器部件16。

对于可完全由其注射模制永磁发射器18组成的旋转的发射器部件16，聚酰胺塑料基质是优选的；而对于接收器部件17，作为注射模制材料，则是高分子热塑性塑料，比如聚氧甲撑（也被称为聚缩醛或聚甲醛），或者聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）。如果传感器系统15是为更高温度而设计，发射器18的塑料基质最好由抗高温的聚苯硫醚组成，而接收器部件17使用以商标为PA6/6T或Ultramid®的热塑性聚合物制成。最好同时构造为形成保护壳的接收器部件17的材料无论如何用纤维加强，并为了可旋转地安装发射器18而含带润滑剂。

对于优选的在单一工具（未图示）内通过组件注射模制而注射模制生产传感器系统15，首先采用指定的材料之一优选地将发射器18注射模制成厚开孔圆盘或平空心圆筒形式，所述发射器随后在其注射模具内被永磁化。其几何设计可优选地延伸到管状空心连接器部件19，所述部件以相同的材料在同一注射模制中铸造成并在图中示出为轮轴，用于旋转固定连接到延伸穿过所述连接器部件的轴11。

对于接收器部件17的随后注射模制的连接部件20，固化的发射器部件16充当注射模具的（即未示出的注射模制工具的）部分腔体。出于此目的，初始为截锥形之后转变为空心轴28的中央接合开口21，凹进作为发射器部件16上注射模制腔体的增加部分。此外，接收器部件17可以随后在已经铸入并刚性连接的部件20周围被喷涂接收器元件环绕物27所述环绕物27优选地由收缩能力尽可能最强的相同材料制造，不然就如图1与图2中所示，优选地以和其连接部件20集成的方式喷涂。接收器连接部件20无论如何延伸到发射器部件16中央区域内，所述中央区域约略作为发射器连接部件19的轮轴的形状，所述连接部件20同样以轮轴形式浇铸。

一方面，发射器部件16的材料，以及另一方面，接收器部件17的材料，在它们注射模制冷却时，在接合开口21的区域及在发射器16和接收器17之间的径向连接界面上不粘合在一起，这对于组件注射模制的功能来说是关键的，这样由于接收器部件17的材料的收缩，它们甚至从发射器16（高掺杂、几乎不收缩的材料）略微抬离。这样的基于收缩的空隙受到注射模制腔体圆锥面的帮助，所述腔体为用于接收器连接部件20的发射器接合开口21的形式，所述圆锥面，如所示，是连接部件20至少部分高度上的截头锥台；然后所述发射器接合开口如图1所示，优选地变形成至少短空心轴28 用于在以旋转紧固方式连接到轴11的发射器部件16内径向安装接收器部件17。

如果根据图1的空心轴或根据图2的实心轴作为恰好穿过发射器部件16的接收器部件17的连接部件20的组成部分延伸，此类型的安装功能会进一步改善，所述发射器部件16可优选地仅由永磁体18本身组成，所述永磁体发射器18是注射模制成型并随后在模具内磁化。与接收器部件17相对，圆护圈或简单的几个相互垂直偏置的径向凸耳可随后到加伸轴29上，即在端面上形成为轴向止动部30，例如所示，所述凸耳从接收器部件17回握发射器16，以避免在传感器系统15从注射模具脱模过程中碎裂。不过，为了让发射器部件16在接收器部件（图2b）的材料收缩过程中，不被止动部30轴向夹住，而是以低摩擦的方式相对于接收器部件保持可旋转，利用注射模具里的推杆（未示出）在发射器部件16与接收器止动部30之间形成环状空隙31（图2a）作为发射器部件16在接收器加伸轴29（图2b）上的轴向间隙31。但是，接收器部件17的材料的收缩过程还在加伸轴29上产生轴向间隙33，这对于发射器部件16相对接收器部件17相对旋转来说是必要的（图2b）。

为了将发射器部件16可旋转地紧固连接在轴11的端面上，根据图2b，可提供以旋转紧固方式安装在轴11端面上的帽形致动星轮34，所述致动星轮以例如轴向形状配合或（如所示）径向非形状配合的方式连接到发射器部件16。

起到传感器作用的接收器22定位在用于浇铸的注射模具内，接合开口21的轴向前方，在发射器部件16内中央凹下，作为用于具有加伸轴29的接收器部件17的注射模具腔体的一部分。在提供的示例中，所述接收器由实际的、磁场敏感的半导体接收元件23与通过导电体连接到它的反馈和调节元件24组成。其内电路带有从接收器部件17伸出的连接器25，以便外部可用于焊接或压接，或例如—如通过图1中的示例所述—在形成到接收器部件17上的插座（plug cage）26内结束。

如所提到的，实现发射器18的磁化优选地早于在其注射模制工具内由组件注射模制生成的传感器系统15的脱模。为了不使磁场敏感的接收器元件23处于为此目的而引入的强磁场风险下，发射器部件16的这一磁化最好早于接收器部件17与在其内的密封接收器元件23的喷涂。优选地，该磁化平行于发射器部件16旋转轴线或者按照体积区段或表面积区段的形状产生简单或多个相互间有角度偏移的磁偶极子结构。必须考虑在发射器部件16的旋转移动过程中，足够强的杂散场经过了平行于这些指向的接收器元件23。在这方面，在发射器16旋转轴线上径向延伸的偶极子磁性也应考虑，虽然为实现它会需要很特殊的磁化线圈。

但对于通过整体的多部件组装注射模制的预烧结磁体，优选地，根据本发明高感应精度的两部件的磁旋转角传感器系统15因而非常合理地整体制造为可以直接应用的工作单元，优选用聚合物粘合永磁体作为被动发射器部件16，所述被动发射器部件16最终相对于接下来同心注射模制并随其铸入的接收器22随后收缩的主动传感器接收器部件17的材料是可旋转的。为此目的，使用互相不可粘附的注射模制材料，所述材料在其互相接触的区域在收缩的辅助下相互抬离。

附图标记清单

11：（12的）输入轴

12：（用于14的）致动器

13：（用于11的12的）轴承护罩

14：（带有15的）应用

15：（由16和17组成的用于15的）传感器系统

16：（15的）发射器部件（具有18，可旋转地固定在11）

17：（15的）接收器部件（作为22的支撑）

18：（16的）永磁发射器（相对于17旋转）

19：连接器部件（16的一部分）

20：连接器部件（17的一部分，定中在16/18）

21：接合开口（在18+19=16中，用于接合20+27=17）

22：（17的）接收器（22=23+24）

23：（22的）接收器元件

24：（22的）反馈和调节元件

25：连接器（连接到22/24）

26：插座（在17上，用于25）

27：（17的）环绕物（用于22）

28：空心轴（在17上；图1）

29：加伸轴（在17上；图2）

30：轴向止动部（在29/17上，用于16）

31：环状空隙（在16和30之间）

32：轴向间隙（在16和17/30之间）

33：（在29上的16的）径向间隙

34：接合星（用于将16/18旋转地固定耦接到11）

Claims (11)

1.一种旋转角传感器系统（15），包括：紧邻发射器部件（16）的接收器部件（17），所述接收器部件（17）带有磁场接收器（22），所述发射器部件（16）能够相对于所述接收器部件（17）旋转，并带有聚合物粘合注射模制的永磁体作为发射器（18），其特征在于，在轴（28，29）作为所述接收器部件（17）和能够与其相反地旋转的发射器部件（16）之间的中央连接部件（20）的情况下，所述传感器系统（15）是发射器部件（16）与注射模制的接收器部件（17）的组合，所述发射器部件（16）是注射模制的，所述接收器部件（17）由与聚合物粘性不相容且收缩的塑料制成。

2.如前述权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述连接部件（20）的中央接合开口（21）圆锥地渐缩转变成空心柱体。

3.如前述权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，延伸穿过所述发射器部件（16）的所述轴（28；29）在端面上构造有形成于其上的止动部（30），用于由所述接收器部件（17）轴向地回握所述发射器部件（16）。

4.如前述权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，铸造到所述接收器部件（17）内的所述接收器（22）具有半导体接收器元件（23），所述半导体接收器元件（23）与反馈及调整元件（24）互联，所述反馈及调整元件（24）能够从所述接收器部件（17）的外面通过连接器（25）访问。

5.如前述权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，其配备有用于致动器轴（11）的贯通开口，所述发射器部件（16）能够以旋转固定的方式固定在其上，并且所述接收器（22）的接收器元件（23）相对于其以径向偏移的布置铸造在所述接收器部件（17）内。

6.如前述权利要求1-5之一所述的传感器系统，其特征在于，所述接收器部件（17）构造有电机械连接器，且/或用于机械连接到应用（14）。

7.如前述权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，所述电机械连接器在插座（26）内。

8.一种生产根据前述权利要求1-7之一的传感器系统（15）的方法，所述传感器系统（15）由接收器部件（17）和能够相对于其旋转的发射器部件（16）组成，其特征在于，在注射模制工具内连续地以一件的形式通过多部件塑料组件注射模制，首先带有聚合物粘合永磁发射器（18）的发射器部件（16）用相对不可收缩的塑料喷出，一旦这在所述注射模制工具内硬化，在注射其接收器（22）的同时，用比前述塑料更易收缩且粘性不相容的塑料喷出接收器部件（17）。

9.如前述权利要求8所述的方法，其特征在于，在插入所述接收器（22）以及将所述接收器部件（17）注射模制到注射模制工具内之前，将所述发射器部件（16）磁化以形成永磁发射器（18）。

10.如前述权利要求8所述的方法，其特征在于，所述接收器部件（17）包括连接部件（20）和止动部（30），所述连接部件（20）通过所述发射器部件（16）延伸，所述止动部（30）轴向地回握所述发射器部件的止动部（30）且轴向环形空隙（31）凹在所述发射器部件（16）和所述止动部（30）之间，所述接收器部件（17）被注射模制到凹在所述发射器部件（16）内的接合开口（21）中。

11.如前述权利要求8-10中之一所述的方法，其特征在于，所述接收器部件（17）的接收器元件（23）被插入所述注射模制工具内，使得其相对于已注射并磁化的发射器部件（16）轴向偏离，以便铸造到所述接收器部件（17）内。