CN108844458B - 用于位置测量的传感器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于位置测量的传感器单元，所述传感器单元用于相对于所述传感器单元能运动的结构部件的位置测量。所述传感器单元包括金属体，所述金属体具有第一空隙。在所述第一空隙中如下地布置有电子的结构元件，使得在所述电子的结构元件与所述金属体之间存在有缝隙，其中，所述缝隙填充以起电绝缘作用的浇注物料。此外，在所述电子的结构元件上以及在所述浇注物料上施加有起电绝缘作用的第一层。所述电子的结构元件与导体电路电接触，其中，所述导体电路在第一区段中引导穿过所述第一层并且在第二区段中在所述第一层上伸延。

Description

用于位置测量的传感器单元
技术领域
本发明涉及根据本发明的例如用于角度或长度测量机构的用于位置测量的传感器单元。
背景技术
角度测量机构例如被用作转动编码器（Drehgeber）用于确定两个相对于彼此能转动的机器部件的角度位置（Winkellage）。此外，已知长度测量机构，在所述长度测量机构中测量两个相对于彼此能移位的机器部件的线性的移位。角度测量机构以及长度测量机构通常具有传感器单元，所述传感器单元扫描相对于所述传感器单元能运动的结构部件、例如角度刻度或长度刻度或比例尺，并且产生取决于位置的信号。
在光学的测量机构的情况下，光源和光电探测器通常装配在光学的传感器单元的导体板（Leiterplatte，有时称为电路板）上。光学的刻度以空气缝隙与所述导体板对置。然后根据已知的原理能够产生取决于位置的信号。
通常，这种测量机构或测量仪器被用于电驱动器，以用于确定相应的机器部件的相对运动或相对位置。在这种情况下，所产生的位置值经由相应的接口组件供应给用于操控所述驱动器的后续电子部件（Folgeelektronik）。
在DE 198 43 155 A1中描述一种移位测量机构，在所述移位测量机构中，所涉及的传感器单元具有IC芯片，所述IC芯片在树脂成形块（Harzformblock，有时称为树脂模板）中装配在玻璃衬底上。
发明内容
本发明基于如下任务，即提供一种传感器单元，其实现相对于外部的影响稳固的运行特性并且能够相对经济地制造。
所述传感器单元适用于相对于所述传感器单元能运动的结构部件的位置测量，其中，所述传感器单元包括金属体，所述金属体具有至少一个第一空隙。在所述第一空隙中如下地布置有至少一个电子的结构元件，使得在所述电子的结构元件与所述金属体之间存在有缝隙，其中，所述缝隙填充（ausgefüllt）以起电绝缘作用的浇注物料（Vergussmasse）。在所述电子的结构元件上以及在所述浇注物料上施加有起电绝缘作用的第一层。所述电子的结构元件与导体电路（Leiterbahn）电接触，其中，所述导体电路在第一区段中引导穿过所述第一层并且在第二区段中在所述第一层上伸延。尤其，所述电子的结构元件与所述导体电路的第一区段直接地电接触。
尤其，所述缝隙S如下地设计，使得所述缝隙围绕所述电子的结构元件环绕，从而也就是说所述电子的结构元件在所述空隙中环绕地由所述浇注物料包围。尤其，在所述电子的结构元件与所述金属体之间不存在直接的接触。例如将聚合物材料、例如环氧树脂、但还有无机的粘接剂考虑作为用于所述浇注物料的材料。所述浇注物料能够例如在浇注设备中被带入。同样，所述浇注物料能够藉由注射成型方法在注射成型机器中被带入到所述缝隙中。
所述导体电路在所述第二区段中至少部分地在所述第一层的与所述金属体的表面背离的面上伸延。经金属化的（aufmetallisierte）导体电路侧向地伸出超过所述电子的结构元件的边缘。
也就是说，此处在不使用线材或同类物的情况下进行所述电子的结构元件的电连结。尤其能够放弃引线接合或放弃线材接合。
在本发明的另外的设计方案中，起电绝缘作用的第一层至少部分地也施加在所述金属体上，并且所述导体电路的第二区段平行于所述金属体的第一表面伸延。
所述电子的结构元件能够设计为有源（aktives）结构元件、例如设计为IC芯片，或设计为无源（passives）结构元件、例如设计为电阻。
有利地，所述电子的结构元件包括至少一个光学的传感器。
有利地，所述电子的结构元件包括至少一个光源。尤其，所述电子的结构元件能够设计为IC芯片，所述IC芯片尤其具有所述至少一个光学的传感器和所述光源。备选地，所述光源能够布置在第一电子的结构元件上，并且所述光学的传感器能够布置在第二电子的结构元件上。在这种结构方式的情况下，所述第一电子的结构元件和所述第二电子的结构元件处于同一个空隙中、尤其处于所述金属体的所提及的第一空隙中。
备选地，所述电子的结构元件能够包括至少一个磁传感器、尤其是磁阻传感器或霍尔传感器。根据本发明的另外的备选的设计方案，所述电子的结构元件能够包括感应式或电容式传感器。
有利地，所述金属体具有第一表面，其中，所述电子的结构元件与所述第一表面齐平地布置在所述空隙中。据此（Demgemäß），所述电子的结构元件与所述第一表面在同样的高度上终止地（abschließend）布置。尤其，所述第一表面和所述结构元件的外面处于同一个几何平面中。
此外，只要所述电子的结构元件包括至少一个光学的传感器，则所述至少一个光学的传感器能够与所述第一表面齐平地布置。在带有多个光学的传感器的电子的结构元件的设计方案中，多个传感器也能够与所述第一表面齐平地布置。
在本发明的另外的设计方案中，所述传感器单元包括带有屏蔽部（Schirm）的线缆，所述屏蔽部与所述金属体导电地连接。
有利地，所述金属体具有超过0.5mm的厚度、尤其是超过1.0mm的厚度、尤其是超过1.5mm的厚度。尤其，所述金属体还具有用于将所述传感器单元机械地固定在机器部件处的固定器件。根据另外的设计方案，所述固定器件设计为穿过所述金属体的开孔或设计为螺纹开孔。也就是说，所述金属体尤其能够不仅接纳所述电子的结构元件，而且同时能够满足法兰功能（Flanschfunktion）。此外，所述金属体能够如下地设计，使得所述金属体具有如下轮廓，所述轮廓被机械地加工，并且所述轮廓能够用作为用于到机器部件处的配合准确的附装的基准或止挡部。
所述金属体具有第一表面和第二表面，其中，所述第二表面与所述第一表面对置地布置，其中，所述传感器单元能够具有至少一个电子的结构部件，所述至少一个电子的结构部件如下地布置，使得所述至少一个电子的结构部件伸出超过所述第二表面，也就是说相对于所述第二表面不齐平地布置。此外备选地或补充地，所述传感器单元能够具有至少一个线缆联接部，所述至少一个线缆联接部如下地布置，使得所述至少一个线缆联接部轴向地伸出超过所述第二表面。
以有利的方式，所述金属体设计成一件式。
有利地，所述金属体具有第二空隙，在所述第二空隙中布置有导体板，所述导体板具有第一面和与所述第一面对置的第二面。所述导体电路然后在所述导体板的第一面处与所述导体板电接触。此外，将电子的结构部件装配在所述导体板的第二面上。所述导体电路借助于穿通接触部（Durchkontaktierung）与所述结构部件电连接。尤其，所述导体板的第一面能够相对于所述金属体的第一表面平行地、有利地齐平地布置。备选地或补充地，所述导体板的第二面能够平行于所述金属体的第二表面布置。
根据另一方面，本发明包括一种位置测量机构，所述位置测量机构带有传感器单元和相对于所述传感器单元能运动的结构部件。在此，所述结构部件包括刻度，所述刻度设计为角度或长度刻度并且能够设立成用于增量的或绝对的位置测量。所述传感器单元以如下方式相对于所述刻度对置地布置，即所述导体电路处于所述金属体与所述刻度之间。
尤其，所述导体电路的第二区段在所述金属体与所述刻度之间伸延。相应地，所述第一层处于所述金属体与所述刻度之间。刻度这一概念应该被理解为如下体，所述体具有增量的或绝对的分度（Teilung）并且通常也被称为量具（Maßverkörperung）。
有利地，所述位置测量机构的所提及的结构部件相对于所述传感器单元能够转动，并且所述刻度设计为角度刻度。备选地，所述结构部件能够相对于所述传感器单元线性地移位，并且所述刻度设计为长度刻度。
附图说明
根据本发明的传感器单元或位置测量机构的另外的细节和优点根据附上的图由接下来的实施例的描述来得出。
其中：
图1示出朝在所述传感器单元的第一制造步骤之后的带有切割部（Schnitten）的金属板件（Metalltafel）的俯视图，
图2示出朝在所述传感器单元的第一制造步骤之后的各个金属体的俯视图，
图3a示出在第一制造步骤之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图3b示出在另外的制造步骤之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图3c示出在浇注物料施覆之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图3d示出在起绝缘作用的第一层施覆之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图3e示出在导体电路产生之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图3f示出在起绝缘作用的第二层施覆之后的所述传感器单元的部分区域的剖切图示，
图4示出朝完成装备的传感器单元的俯视图，
图5示出朝位置测量机构的侧视图。
具体实施方式
在传感器单元的制造过程中，首先提供用具（Nutzen，有时称为有效件）或金属板件，其在所介绍的实施例中具有1.0mm的厚（Stärke）或厚度并且由铝制造。在图1中能看到的切割走向（Schnittverläufe，有时称为切割伸延）例如通过激光切割工艺或水射束切割工艺加入到所述金属板件中。以这种方式产生大量金属体1，所述金属体具有相应于图2的外形。因此，所述金属体1中的每个金属体具有第一空隙1.1、第二空隙1.2、第三空隙1.3、第四空隙1.5和第五空隙1.5以及中央的圆的空隙。在下面根据所述第一空隙1.1尤其是借助于根据图3a至3f的穿过线A–A的剖切图示来阐释本发明。所述金属体1在于切割工艺之后的这个生产阶段中通过桥接部（Stege）1.2相互连接。根据备选的制造方法，所述金属体1的圆形的外轮廓在后期的步骤中才能够产生。
根据图3b首先将薄膜8粘接或层压到所述金属板件或所述金属体1的第一表面O1上。接着在所述第一空隙1.1中将电子的结构元件2粘上到所述薄膜8上，从而带有宽度S的缝隙存在于所述第一空隙1.1的边缘与所述结构元件2之间。在所介绍的实施例中，所述结构元件2设计为IC芯片并且具有光学的第一传感器2.1（例如第一光电探测器阵列）和光学的第二传感器2.2（例如第二光电探测器阵列）。此外，在所介绍的实施例中，所述结构元件2包括光源2.3，所述光源此处布置在所述结构元件2的空腔中。所述结构元件2如下地安放在所述薄膜8上，使得所述结构元件与所述第一表面O1齐平地布置在所述第一空隙1.1中。尤其，此处所述光学的第一传感器2.1和所述光学的第二传感器2.2与所述第一表面O1齐平地布置在所述第一空隙1.1中。
在根据图3c的下一个制造步骤中，将围绕所述结构元件2的在所述第一空隙1.1中的容积填充以浇注物料4。就此而言，例如能够使用分配器或浇注设备或成型机构（Moldingeinrichtung）用以施覆所述浇注物料4。在所介绍的实施例中，能够通过所述结构元件2的固定或粘接结合经济的（schonenden）浇注方法来保证在所述浇注物料4的施覆期间不发生所述结构元件2相对于所述金属体1的移位，从而使得所述结构元件2以其光学的传感器2.1、2.2和所述光源2.3精确地相对于所述金属体1来安放。
在所述浇注物料4的浇注和硬化之后将所述薄膜8移去。
随其后，将起绝缘作用的第一层5、尤其是由聚酰亚胺构成的层施覆或层压到所述金属体1的第一表面O1上并且施覆或层压到所述浇注物料4和所述电子的结构元件2的与所述第一表面O1齐平地伸延的表面上（见图3d）。所述第一层5在光化学的方法的使用下如下地结构化，使得存在有用于后期待制造的导体电路6的贯通开口5.1。在所介绍的实施例中，同样在所述第一层5中产生开口11，所述光源2.3和所述光学的传感器2.1、2.2通过所述开口露出（freigelegt）。备选地，尤其能够在所述第一层5的小的厚度的情况下和/或在所述第一层5的适合的光学的性质的情况下放弃所述开口11的产生。
随其后，根据图3e，将在所介绍的实施例中多层地（尤其两层地）构建的金属层施加到所述第一层5上。所述金属层如下地加工，使得最终所述导体电路6根据图3e通过选择性的导体电路构造来产生。此后最终存在有如下导体电路6，所述导体电路分别具有第一区段6.1和第二区段6.2。所述导体电路6在其第一区段6.1中引导穿过所述第一层5、尤其穿过所述贯通开口5.1。此外，在所述第一区段中，在导体电路6与电子的结构元件2之间建立电接触。此外，所述导体电路6在所述第二区段6.2中在所述第一层5上平行于所述第一表面O1伸延，并且与所述第一表面相应于所述第一层5的厚度地间隔开。此后，将起电绝缘作用的第二层9或钝化层（Passivierungsschicht）施加到所述导体电路6上。
可选地，也能够还产生另外的层和另外的导体电路。以有利的方式，在所述金属体1的第一表面O1上的整个层构造、也就是说所述导体电路和所述起绝缘作用的层的厚度的总和不大于0.1mm、尤其不大于0.05mm。
在制造工艺过程中，同时将所述第三至第五空隙1.3-1.5以和所述第一空隙1.1相同的方式以电子的结构元件来装备、相应地浇注和电接触。在所述第二空隙1.2中安放有导体板3，并且对其进行浇注，所述导体板具有第一面以及与所述第一面对置的第二面。所述导体电路6在所述导体板3的第一面处与所述导体板3、尤其是与穿通接触部的金属化的面进行电接触。此外，在所述导体板3上，在背侧也就是说在所述第二面上例如装配有线缆联接部3.1（此处插接连接件）和另外的电子的结构部件3.2，如这在图5中能看到的那样。因此，所述另外的电子的结构部件3.2和所述线缆联接部3.1布置在所述导体板3的第二面上，所述第二面与所述导体板3的第一面对置。所述导体电路6与所述电子的结构部件3.2和/或所述线缆联接部3.1的电连接借助于穿通接触部来实现。
在所介绍的实施例中，所述电子的结构部件3.2和所述线缆联接部3.1轴向地伸出超过所述金属体的第二表面O2，其中，所述第二表面O2与所述第一表面O1对置地布置（图3a、3f）。
在图4中示出朝这样制造的传感器单元的俯视图。接着所述制造步骤，所述金属体1能够相互分离或分开。
在制造工艺的进一步的进展中，将多芯的（mehradriges）线缆10与所述导体板3的线缆联接部3.1连接，所述多芯的线缆具有屏蔽部（见图5）和连接件10.2。此外，将卡箍10.2围绕所述屏蔽部放置并且借助于在所述金属体1中的螺纹开孔和螺纹紧固件2.8固定在所述金属体1处。由此，不仅在所述金属体1与所述线缆10之间建立机械的连接，而且在所述金属体1与所述屏蔽部之间建立电连接。
根据在图4中的布置的传感器单元现在例如能够在背侧以起电绝缘作用的材料来包围注射，从而使得所述导体板3的第二面、所述电子的结构部件3.2以及用于所述线缆10的联接的线缆联接部3.1受到保护而免受外部的影响。包围注射部在这种情况下也能够同时用作为用于所述线缆10的拉力卸载部（Zugentlastung）。
在图5中示出测量系统的原理图，所述测量系统包括根据本发明的传感器单元和相对于所述传感器单元能运动的（此处相对于所述传感器单元能转动的）结构部件7。所述结构部件7由轴7.1和刻度7.1（此处角度刻度）构成。在所介绍的实施例中，所述刻度7.1包括两个同心的分度或编码道（Teilungs- oder Codespuren），所述分度或编码道能够藉由入射照明法（Auflichtverfahren，有时称为入射光方法）以反射的方式来扫描。
所述传感器单元现在例如能够固定在机器部件处、例如固定在马达壳体处。为了这个目的，所述金属体1能够与在图中的图示不同地具有例如以开孔的形式的固定器件。以这种方式，所述传感器单元的简单的和精准的装配是可行的。通常，所述结构部件7或所述角度刻度用作为转子并且固定在围绕所述转动轴线X能转动的机器部件处。那么与此相对地，所述传感器单元形成设计为角度测量机构的位置测量机构的定子，从而所述定子固定在固定不动的（stehenden）机器部件处。在所述位置测量机构完成组装的状态下，所述结构部件7和所述传感器单元以相对小的空气缝隙彼此对置，其中，所述空气缝隙比在图5的原理图中示出的那样小。
在所述测量系统的运行中，所述光源2.3发射光，所述光根据在图5中所表明的光路（Strahlengang）由所述刻度7.1的分度道反射并且落到所述光学的传感器2.1、2.2上，所述光学的传感器将落入的光转换成光电流或电信号。所述转动轴线X伸延穿过所述结构部件7或所述刻度7.1的中央。由此在所述结构部件7与所述传感器单元之间发生相对转动时，在所述光学的传感器2.1、2.2中能够产生取决于相应的角度位置的信号。
通过所述传感器单元的在上面所描述的结构方式能够以相对简单的且成本适宜的类型提供一种组件，所述组件允许在所述光学的传感器2.1、2.2与所述刻度7.1之间的或在所述光源2.3与所述刻度7.1之间的缝隙的准确的调整。尤其，由结构类型决定地保证所述电子的结构元件2的面向所述刻度7.1的表面与所述金属体的第一表面O1齐平地布置。通过所述电子的结构元件2相对于所述金属体1的精确的定位能够在所述金属体1在机器部件处的装配或固定完成之后确保所述电子的结构元件2、尤其是所述光学的传感器2.1、2.2和所述光源2.3得到精准安放。
装配在所述导体板3上的结构块（Baustein）3.2作为用于所述信号的评价元件来工作。在于所述结构块3.2的数字部件（Digitalteil）上的逻辑电路中求得（ermittelt）或计算由各个分度道的扫描所产生的位置值。所述位置值能够经由所述线缆10传递到后续电子部件、例如机器的数字控制器处。因此，配备有所述传感器单元的角度测量机构用于感测在能够固定在机器部件处的传感器单元与带有所述刻度7.1的结构部件7之间的角度位置（Winkelposition）。
备选地，用作为用于所述信号的评价元件的结构块也能够在没有导体板的情况下（由浇注物料4包围地）布置在于所述金属体1中的另外的空隙中。
通过所介绍的结构方式提供一种传感器单元，所述传感器单元尤其关于外部电磁场的影响是不敏感的，因为尤其是与所述线缆10的屏蔽部电连接的金属体1本身起屏蔽作用。
此外，在所述结构元件2中所产生的热有效地经由所述浇注物料4导出或分配到所述金属体1上，从而实现所述电子的结构元件2的减少的运行温度，这对测量精度起积极作用。

Claims (15)

1.传感器单元，用于相对于所述传感器单元能运动的结构部件（7）的位置测量，其中，所述传感器单元包括金属体（1），所述金属体具有第一空隙（1.1），其中，
电子的结构元件（2）如下地布置在所述第一空隙（1.1）中，使得在所述电子的结构元件（2）与所述金属体（1）之间存在有缝隙（S），其中，所述缝隙（S）填充以起电绝缘作用的浇注物料（4），其中，
在所述电子的结构元件（2）上以及在所述浇注物料（4）上施加有起电绝缘作用的第一层（5），
所述电子的结构元件（2）与导体电路（6）电接触，其中，所述导体电路（6）在第一区段（6.1）中引导穿过所述第一层（5）并且在第二区段（6.2）中在所述第一层（5）上伸延，
所述电子的结构元件与所述导体电路的第一区段直接地电接触，
所述电子的结构元件（2）不包括导体板（3）。
2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述起电绝缘作用的第一层（5）也施加在所述金属体（1）上，并且所述导体电路（6）的第二区段（6.2）平行于所述金属体（1）的第一表面（O1）伸延。
3.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述电子的结构元件（2）包括至少一个光学的传感器（2.1、2.2）。
4.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述电子的结构元件（2）包括至少一个光源（2.3）。
5.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述电子的结构元件（2）包括至少一个磁传感器。
6.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述金属体（1）具有第一表面（O1），并且所述电子的结构元件（2）与所述第一表面（O1）齐平地布置在所述第一空隙（1.1）中。
7.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述电子的结构元件（2）包括至少一个光学的传感器（2.1、2.2），并且所述金属体（1）具有第一表面（O1），其中，所述至少一个光学的传感器（2.1、2.2）与所述第一表面（O1）齐平地布置。
8.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述金属体（1）具有第一表面（O1）和与所述第一表面（O1）对置的第二表面（O2），其中，所述传感器单元具有至少一个电子的结构部件（3.2），所述至少一个电子的结构部件如下地布置，使得所述至少一个电子的结构部件伸出超过所述第二表面（O2）。
9.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述金属体（1）具有第二空隙（1.2），在所述第二空隙中布置有导体板（3），所述导体板具有第一面和与所述第一面对置的第二面，其中，所述导体电路（6）在所述导体板（3）的第一面处与所述导体板（3）电接触，其中，所述传感器单元具有至少一个电子的结构部件（3.2），其中，所述电子的结构部件（3.2）装配在所述导体板（3）的第二面上，其中，所述导体电路（6）借助于穿通接触部与所述结构部件（3.2）电连接。
10.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述传感器单元包括具有屏蔽部的线缆（10），并且所述屏蔽部导电地与所述金属体（1）连接。
11.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述金属体（1）具有第一表面（O1）和与所述第一表面（O1）对置的第二表面（O2），其中，所述传感器单元具有至少一个线缆联接部（3.1），所述至少一个线缆联接部如下地布置，使得所述至少一个线缆联接部伸出超过所述第二表面（O2）。
12.根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中，所述金属体（1）具有超过0.5 mm的厚度。
13.位置测量机构，所述位置测量机构包括根据权利要求1至12中任一项所述的传感器单元和相对于所述传感器单元能运动的结构部件（7），其中，所述结构部件（7）包括刻度（7.1），并且所述传感器单元以如下方式相对于所述刻度（7.1）对置地布置，即所述导体电路（6）处于所述金属体（1）与所述刻度（7.1）之间。
14.根据权利要求13所述的位置测量机构，其中，所述结构部件（7）能够相对于所述传感器单元转动，并且所述刻度（7.1）设计为角度刻度。
15.根据权利要求13所述的位置测量机构，其中，所述结构部件（7）能够相对于所述传感器单元线性地移位，并且所述刻度（7.1）设计为长度刻度。
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