DE10107989A1 - Mechanisch-elektrischer Wandler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler, bei welchem mindestens ein dehnungsempfindliches Meßelement zwischenträgerfrei auf einem aus Metall bestehenden mechanisch zu belastenden Bauteil angeordnet ist, wobei das mindestens eine Meßelement mit einer Auswerteschaltung für ein der Dehnung entsprechendes Signal des Meßelementes verbunden ist. DOLLAR A Bei einem mechanisch-elektrischen Wandler, bei welchem eine stabile elektrische Kontaktierung zwischen dem Wandler und der Kontakteinrichtung vorhanden ist, ist die Auswerteelektronik (14) auf einem Träger (18) angeordnet, welche an oder auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil (2) befestigt ist, wobei mindestens der Bereich (4, 15) des Trägers (18), welcher die Auswerteschaltung (14) mit einer externen Übertragungs- und/oder Kontakteinrichtung (6, 7) verbindet, als flexible Leiterplatte ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler, bei welchem mindestens ein dehnungsempfindliches Meßelement zwischenträgerfrei auf einem aus Metall bestehenden mechanisch zu belastenden Bauteil ange­ ordnet ist, wobei das mindestens eine Meßelement mit einer Auswerte­ schaltung für ein der Dehnung entsprechendes Signal des Meßelementes verbunden ist.

Aus der DE 197 47 001 A1 ist ein mechanisch-elektrischer Wandler bekannt, welcher aus einer Brückenschaltung von Dehnungsmeßstreifen besteht. Die Dehnungsmeßstreifen sind in Dickschichttechnik ohne einen Zwischenträger direkt auf einer auf Torsion zu belastenden Welle angeordnet, wobei die Welle aus Metall besteht. Die mit den dehnungsempfindlichen Widerständen verbundene Auswerteschaltung ist ebenfalls auf der Welle angeordnet und wird mit der Meßbrücke in einem Arbeitsgang hergestellt. Die von den Deh­ nungsmeßstreifen erzeugten und von der Auswerteelektronik aufbereiteten elektrischen Signale müssen an die Umgebung übertragen werden. Zu die­ sem Zweck ist die Auswerteelektronik mit einer örtlich entfernt angeordneten Kontakteinrichtung verbunden.

Bei Anwendungen, wo die elektrischen Kontaktierungen starken mechani­ schen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, führt dies auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und beteiligten Baugruppen zu großen Problemen bei der Stabilität der Kontakte. Insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen, wo mechanisch- elektrische Wandler in sicherheitskritischen Bereichen, wie beispielsweise der Lenkung eingesetzt werden, können Kontaktprobleme solcher Wandler kritische Verkehrssituationen nach sich ziehen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch- elektrischen Wandler anzugeben, bei welchem eine stabile elektrische Kon­ taktierung zwischen dem Wandler und Kontakteinrichtung vorhanden ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auswerteelek­ tronik auf einem Träger angeordnet ist, welcher an dem mechanisch zu be­ lastenden Bauteil befestigt ist, wobei mindestens der Bereich des Trägers, welcher die Auswerteschaltung mit einer externen Übertragungs- und/oder Kontakteinrichtung verbindet, als flexible Leiterplatte ausgebildet ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch diese elastische Leiterplatte unter­ schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von dem mechanisch zu belastenden, aus Metall bestehenden Bauteil und der Auswerteelektronik ausgeglichen werden. Dasselbe gilt für die mechanischen Schwingungen, die im Kraftfahrzeug auftreten. Weiterhin bietet eine flexible Leiterplatte ei­ nen gewissen Bewegungsspielraum zwischen dem als Stahl-Substrat aus­ gebildeten mechanisch zu belastenden Bauteil und den elektromechani­ schen Komponenten, wie Stecker und Transformatorspule, welche als Über­ tragungseinheit zur Umgebung außerhalb der den mechanisch-elektrischen Wandler tragenden Bauteiles angeordnet sind.

In einer Ausgestaltung ist der Träger insgesamt als eine flexible Leiterplatte ausgebildet und die elektrische Leitung einteilig aus der flexiblen Leiterplatte ausgeformt. Bei dieser Ausgestaltung ist eine besonders einfache Herstel­ lung des Trägers möglich, der leicht an die örtlichen Einbaugegebenheiten in einem Kraftfahrzeug angepaßt werden kann.

Vorteilhafterweise ist die flexible Leiterplatte auf das mechanisch zu bela­ stende Bauteil aufgeklebt.

In einer Weiterentwicklung ist die flexible Leiterplatte auf einem Hilfsträger angeordnet, welcher an oder auf dem mechanisch zu belastendem Bauteil befestigt ist. Erstreckt sich die flexible Leiterplatte zumindestens teilweise über das dehnungsempfindliche Meßelement, so ist der Hilfsträger beab­ standet zum mechanisch zu belastenden Bauteil angeordnet.

In einer anderen Ausgestaltung ist die Auswerteschaltung neben dem Deh­ nungsmeßstreifen ausgebildet.

Der Hilfsträger kann dabei eine starre flächig ausgebildete Leiterplatte sein.

Alternativ dazu ist der Hilfsträger ein vorzugsweise aus Kunststoff bestehen­ der Rahmen.

Eine besonders kleine bauliche Einheit wird erreicht, wenn der Rahmen das dehnungsempfindliche Meßelement umschließend auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil angeordnet ist, wobei die flexible Leiterplatte das deh­ nungsempfindliche Meßelement überspannt und eine Öffnung zur Durchfüh­ rung der elektrischen Verbindungen zwischen dehnungsempfindlichem Meß­ element und Auswerteschaltung aufweist, welche auf der dem Rahmen ab­ gewandten Seite der flexiblen Leiterplatte angeordnet ist.

In dieser Ausgestaltung können die elektrischen Verbindungen gemeinsam mit den die Auswerteschaltung bildenden elektrischen Bauelementen in ei­ nem Bond-Vorgang auf der flexiblen Leiterplatte befestigt werden.

Alternativ ist es aber auch vorstellbar, daß die mit den elektrischen Bauele­ menten vorgefertigte Leiterplatte so auf den Rahmen montiert wird, daß die Bauelemente und Meßbrücke sich gegenüberliegen. In diesem Fall wird gleichzeitig eine Häusung erreicht und eine Beschädigung der Schaltung beim Einbau des Wandlers in den Einsatzort, insbesondere das Kraftfahr­ zeug sicher verhindert.

In einer anderen Ausführungsform ist die flexible Leiterplatte beidseitig an dem einen rechteckähnlichen Querschnitt aufweisenden Bauteil angeordnet, wobei jeder Teil der Leiterplatte sich flächig auf der jeweiligen Oberfläche des mechanisch zu belastenden Bauteiles mit einer stegähnlichen Verbin­ dung zwischen den beiden Teilleiterplatten erstreckt, wobei die beiden Teil­ leiterplatten und die stegähnliche Verbindung einstückig ausgebildet sind.

Die elektrische Verbindung zwischen dem dehnungsempfindlichen Meßele­ ment und der Auswerteschaltung sind dabei in Bond-Technik ausgeführt. Diese Art von Kontaktierung und mechanischer Fixierung bietet in allen Fäl­ len eine Entkopplung der mechanischen und thermischen Spannun­ gen/Belastungen und gewährleistet damit eine verbesserte Kontaktsicherheit der elektronischen Schaltungskomponenten mit dem Schaltungsträger.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll an­ hand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Darstellung eines mechanisch-elektrischen Wandlers in einer elektrischen Servolenkung eines Kraftfahrzeuges

Fig. 2 Aufbau des elektrisch-mechanischen Wandlers

Fig. 3 erste erfindungsgemäße Einrichtung

Fig. 4 zweite erfindungsgemäße Einrichtung

Gleiche Merkmale sind mit gleichem Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist ausschnittsweise eine Lenksäule 1 eines Kraftfahrzeuges dar­ gestellt, in deren Inneren eine Meßwelle 2 angeordnet ist, welche an ihren beiden Enden nicht weiter dargestellt mit der Lenksäule 1 verknüpft ist. Die Meßwelle 2 besteht aus Stahl und besitzt einen rechteckförmigen Quer­ schnitt. Auf der Meßwelle 2 ist ein Drehmomentensensor 3 mit einer flexiblen Leiterplatte 18 angeordnet, wobei die Leiterplatte 3 über einen Steg 4 mit einem Stecker 5 verbunden ist. Der Stecker 5 ist mit einer Übertragungsein­ richtung, in diesem Fall ein Transformator 6 verbunden, mit dessen Hilfe die von dem Meßelement 3 erzeugten elektrischen Signale an die Fahrzeug­ elektronik 7 abgegeben wird.

Der Aufbau des Drehmomentensensors 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Eine in Dickschicht aufgebrachte Widerstandsmeßbrücke 8, welche aus vier dehnungsempfindlichen Widerständen 9, 10, 11, 12 besteht, ist auf einem Di­ elektrikum 26 angeordnet, welches mit der Meßwelle 2 versintert ist. Über ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellte Leiterbahnen 13 ist die Wider­ standsmeßbrücke 8 mit einer Auswerteelektronik 14 verbunden, wobei die Auswerteelektronik 14 über elektrische Verbindungen 15, 16 mit einer Spule 17 des Transformators 6 kontaktiert ist. Die Auswerteelektronik 14 besteht aus diskreten Bauelementen.

Mit Hilfe eines solchen Drehmomentensensors 3 wird durch den Dehnungs­ meßstreifen die Flächendehnung auf Grund einer mechanischen Belastung in diesem Fall durch Torsion direkt abgegriffen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Auswerteelektronik auf einer flexiblen Leiterplatte 18 angeordnet, welche auf die Oberfläche der Meßwelle 2 flächig angeordnet ist. Vorzugsweise wird diese geklebt. Die Auswerteelektronik 14 kann dabei, wie in Fig. 2 dargestellt, neben den dehnungsempfindlichen Widerständen 9, 10, 11, 12 angeordnet sein. Sie kann sich aber auch über die dehnungsempfindlichen Widerstände 9, 10, 11, 12 erstrecken. Zu diesem Zweck ist die flexible Leiterplatte 18 beabstandet zur Meßwelle 2 angeord­ net. Im Bereich der Kontaktflächen 19 auf der Meßwelle 2 weist die Leiter­ platte eine Öffnung 20 auf, aus welcher elektrische Verbindungen 21 von der Meßbrücke auf die, der Meßwelle 2 abgewandte Oberfläche der flexiblen Leiterplatte 18 herausgeführt und dort an den Kontaktflächen 22 kontaktiert werden. Die Leiterplatte 18 weist einen Steg 4 auf, welcher die elektrischen Verbindungen 15 beziehungsweise 16 zum Transformator 17 trägt.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist die Leiterplatte 18 zweitei­ lig ausgebildet. Der erste Teil 18a ist auf der einen Oberfläche der Meßwelle 2 angeordnet, während der zweite Teil 18b der Leiterplatte die entgegenge­ setzte Oberfläche der Meßwelle 2 überdeckt. Die Teilleiterplatten 18a und 18b sind über einen Steg 23 miteinander verbunden. Die Teile 18a, 18b, der Steg 23 und die elektrische Verbindung 4 sind dabei einstückig als flexible Leiterplatte hergestellt.

Um eine beabstandete Lage der Leiterplatte 18 zu den Dehnungsmeßstrei­ fen 9, 10, 11, 12 herzustellen, ist zwischen der Teilleiterplatte 18a und der Meßwelle 2 ein erster Rahmen 24 angeordnet, während zwischen dem zweiten Teil der Leiterplatte 18b und der Meßwelle 2 ein zweiter Rahmen 25 angeordnet ist. Diese Rahmen 24, 25 umschließen die dehnungsempfindli­ chen Widerstände und sind außenseitig an der Welle 2 verklipst.

Auf Grund der Öffnung 20 können die elektrischen Verbindungen 21 nach der Montage der flexiblen Leiterplatten 18a, 18b einfach durch Bond-Technik realisiert werden.

Durch diese einfache Konstruktion können die mechanischen und thermi­ schen Belastungen der elektrischen Kontaktierung minimiert werden. Sie haben weiter den Vorteil, daß die Auswerteelektronik dicht an dem Drehmo­ mentensensor 3 plaziert ist, was eine Verbesserung der EMV mit sich führt.

Claims (11)

1. Mechanisch-elektrischer Wandler, bei welchem mindestens ein deh­ nungsempfindliches Meßelement zwischenträgerfrei auf einem aus Metall bestehenden mechanisch zu belastenden Bauteil angeordnet ist, wobei das mindestens eine Meßelement mit einer Auswerteschaltung für ein der Dehnung entsprechendes Signal des Meßelementes verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) auf einem Trä­ ger (18) angeordnet ist, welcher an oder auf dem mechanisch zu bela­ stendem Bauteil (2) befestigt ist, wobei mindestens der Bereich (4) des Trägers (18), welcher die Auswerteschaltung (14) mit einer externen Übertragungs- und/oder Kontakteinrichtung (6, 7) verbindet, als flexible Leiterplatte ausgebildet ist.

2. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (18) insgesamt als flexible Leiterplatte ausge­ bildet ist und eine elektrische Verbindung (4) zur Übertragungs- und/oder Kontakteinrichtung (6, 7) einstückig aus der flexiblen Leiterplatte ausge­ formt ist.

3. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flexible Leiterplatte (18) auf das mechanisch zu bela­ stende Bauteil (2) aufgeklebt ist.

4. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flexible Leiterplatte (18) auf einem Hilfsträger (24, 25) angeordnet ist, welcher an oder auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil (2) befestigt ist.

5. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hilfsträger (24, 25) beabstandet zu dem mechanisch zu belastenden Bauteil (2) angeordnet ist.

6. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hilfsträger eine starre Leiterplatte ist.

7. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hilfsträger (24, 25) ein vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Rahmen ist.

8. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 7 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rahmen (24, 25) das dehnungsempfindliche Meßele­ ment umschließend auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil (2) an­ geordnet ist, wobei die flexible Leiterplatte (18) das dehnungsempfindli­ che Meßelement (3) vollständig überspannt und eine Öffnung (20) zur Durchführung der elektrischen Verbindungen (21) zwischen dehnungs­ empfindlichem Meßelement (3) und Auswerteschaltung (14) aufweist, welche auf der dem Rahmen (24, 25) abgewandten Seite der flexiblen Leiterplatte (18) angeordnet ist.

9. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 7 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flexible Leiterplatte (18) beidseitig an dem einen recht­ eckähnlichen Querschnitt aufweisenden Bauteil (2) angeordnet ist, wobei jedes Teil (18a, 18b) der Leiterplatte (18) sich flächig auf der jeweiligen Oberfläche des mechanisch zu belastenden Bauteiles (2) mit einer stegähnlichen Verbindung (23) zwischen den beiden Teilleiterplatten (18a, 18b) erstreckt.

10. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Teilleiterplatten (18a, 18b) und die stegähnliche Verbindung (23) einstückig ausgebildet sind.

11. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 8 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Verbindungen (21) zwischen dehnungs­ empfindlichem Meßelement (3) und Auswerteschaltung (14) in Bond- Technik ausgeführt sind.