DE102008021327A1

DE102008021327A1 - Induktiver Sensor für Drehzahl-, Drehrichtungs- und Positionsmessungen im Bereich hoher Temperaturen

Info

Publication number: DE102008021327A1
Application number: DE102008021327A
Authority: DE
Inventors: Josef Habenschaden
Original assignee: ZF Electronics GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: CN101990627B; US8395379B2; CN101990627A; US20110031963A1; DE102008021327B4; WO2009132754A1

Abstract

Induktiver Sensor mit Spulen, die quasi schichtweise an einem flächigen Schaltungsträger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten des flächigen Schaltungsträgers schräg metallisiert sind, so dass eine Oberseite und/oder eine Unterseite und/oder eine Zwischenschicht und/oder mehrere Zwischenschichten des flächigen Schaltungsträgers leitfähig über die Kanten miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In einer aktuell anhaltenden technischen Diskussion geht es um Reduzierungen des Kraftstoffverbrauchs bei Kraftfahrzeugen. Diese technische Diskussion ist Teil der ökonomisch-ökologischen Diskussion um eine Verminderung des damit verbundenen Kohlendioxidausstoßes. Auch die Zulieferer in den unterschiedlichen Bereichen der Fahrzeugtechnik sehen sich in der Folge vor die Herausforderung gestellt, bestehende technische Konzepte in Frage zu stellen.
Ein Ansatz der Automobilhersteller, um der Problematik des Kohlendioxidausstoßes zu begegnen, besteht in einer Verkleinerung (Downsizing) des Hubraums bei gleichbleibender oder höherer Leistung der Motoren. Mit diesem Ansatz gelangt man an die technologischen Grenzen der derzeit existierenden mechanischen Lösungen. Um diese Grenzen der Motorentechnik optimal ausnützen zu können, werden Sensoren zur Überwachung und Regelung auch dort eingesetzt, wo sie bisher nicht verwendet wurden, beispielsweise in Umgebungen mit Betriebstemperaturen von mehr als 150°C.
Die derzeit eingesetzten elektronischen Bauelemente haben Grenztemperaturen von etwa 150°C und gelangen bei den neuen Anwendungen an diese Grenzen. Eine mögliche Abhilfe sind Maßnahmen zur Kühlung und zum Schutz der Sensoren; solche Maßnahmen sind jedoch aufwändig.
Auch Spulen, die für induktive Sensoren eingesetzt werden, gelangen in die Nähe ihrer Grenztemperaturen, da solche Sensorarrays und solche elektronischen Bauelemente aus geometrischen Gründen einen sehr geringen Abstand zu den beweglichen Signalgebern aufweisen müssen, um nicht nur große, sondern auch kleine Signaländerungen sicher übertragen zu können.
Um die Empfindlichkeit bzw. den Signalhub eines induktiven Sensors zu verbessern, kann der Fachmann die Windungszahl der Spule erhöhen. Im Stand der Technik sind vielschichtige Schaltungsträger (Multilayer) bekannt, die zur Vervielfachung der Windungszahl eines zunächst einschichtigen Sensors verwendet werden können. Beispielsweise kann in einem vierschichtigen Schaltungsträger die Anzahl der Windungen vervierfacht werden und in einem sechsschichtigen Schaltungsträger die Anzahl der Windungen versechsfacht werden. In 1 ist das Wirkungsprinzip einer derartigen bekannten Spule mit mehreren Wicklungen dargestellt; 1 zeigt auch die Feldverteilung des von dieser Spule erzeugten magnetischen Feldes. Die Wicklungen erstrecken sich also über mehrere Schichtebenen.
In diesem Umfeld geht die Erfindung aus von Schaltungsträgern oder Leiterplatten, wie sie beispielsweise aus der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 019 489 U1 bekannt sind. Sowohl die Oberseite als auch die Unterseite dieses Schaltungsträgers bzw. dieser induktiven Sensoreinheit tragen Spulen, d. h. eine Mehrzahl von Spulen ist in mehr als einer Schicht der Leiterplatte untergebracht. Im Stand der Technik sind zwei, drei oder vier Schichten in dieser flachen Art bekannt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den Signalhub einer Signalspannung des induktiven Sensors ebenfalls mit Hilfe der Anzahl der Windungen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Kanten des flächigen Schaltungsträgers schräg metallisiert sind („schräg”, d. h. insbesondere die Oberseite und die Unterseite des flächigen Schaltungsträgers miteinander verbindend). Durch diese Maßnahme können eine obere Schicht und eine untere Schicht des Schaltungsträgers (oder auch Zwischenschichten) in Form von schräg über den Schaltungsträgerrand laufenden Spuren zu einer Spule verbunden werden.
Durch die Erhöhung der Windungszahl ergibt sich nach dem Induktionsgesetz, demzufolge die Klemmenspannung U der Windungszahl N proportional ist, eine höhere induzierte Spannung in einer Spule, die dem Prinzip von 1 folgt.
Zur technologischen Realisierung einer solchen elektromagnetisch wirksamen Spule werden die metallisierten Kanten des Schaltungsträgers eingefräst oder schräg geätzt oder gelasert etc. und auf diese Art das aufmetallisierte leitfähige Material planmäßig unterbrochen. Wird dieser Bearbeitungsschritt mehrfach wiederholt, so führt er gemäß 2 zu einer schraubenförmigen Spule, deren Schraubenpfad über alle Seiten (beispielsweise alle vier Seiten) des Schaltungsträgers führt. Wie in 2 dargestellt, kann die Spule als vierseitige Sonde ausgeführt sein, welche verhältnismäßig lang und dünn erscheint. Diese Sonde, die beispielsweise auch dreisei tig sein könnte, ist an eine übliche Leiterplatte gewissermaßen angesetzt. Das Ansatzseite der Sonde (also das nicht freie Ende der Sonde) erweitert sich – mit anderen Worten – flächenartig nach hinten, um die notwendigen Elektronikkomponenten darauf konventionell zu bestücken. Die aktive Querschnittsfläche der Spule hat sich, im Vergleich zu einer üblichen, in der Ebene der Leiterplatte liegenden Planarspule, durch die erfindungsgemäße Technik um 90 Grad auf die Kante gedreht.
Der Vorteil dieser Konstruktion gemäß 2 ist eine räumliche Distanzierung der elektronischen Bauteile von dem Betriebsbereich, in dem sondenartig gemessen wird (d. h. in dem irgendeine Veränderung des magnetischen Felds beispielsweise unter ungünstigen Umgebungsbedingungen gemessen wird).
In 3 ist dieses Prinzip durch eine kammartige Aneinanderreihung solcher Einzelsonden erweitert. Dieser Kamm bildet ein Spulenarray, das als lineares oder Wegmess-System ausgebildet sein kann. Auch hier ist die Messebene (die Ebene der Kammspitzen) von den Elektronikkomponenten weit entfernt und die heißen Betriebstemperaturen wirken sich nicht auf die dahinter liegenden elektronischen Bauteile aus. Das Bedämpfungselement kann in einem gegebenen Abstand entweder über das Spulensystem hinweg oder, das hat ebenfalls einen Einfluss, seitlich davon vorbei bewegt werden.
Die 4 nutzt das erfindungsgemäße Prinzip für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines sondenartigen Sensors, der aus einem Schutzgehäuse heraus in die heiße Messzone ragt und der dort ein Vorbeidrehen von Zähnen eines Impulsrads detektiert.
Mit der in 4 gezeigten Anordnung kann insbesondere die Drehzahl des Impulsrads erfasst werden. Hierzu kann der betätigende Impulszahn beispielsweise hartmagnetisiert sein. Der Impulszahn kann jedoch auch ein weichmagnetischer Werkstoff sein, um ein gemäß 1 erzeugtes Magnetfeld zu verändern und um die Rückwirkung des veränderten Magnetfelds auf den erzeugenden Strom zu messen. Ein besonders bevorzugter Mechanismus beruht auf unmagnetischen, aber dafür elektrisch leitfähigen Impulszähnen, die eine Wirbelstromdämpfung eines Magnetfelds gemäß 1 bewirken.
Bei der Drehzahlerfassungsvorrichtung gemäß 4 befindet sich der Schaltungsträger mit der Elektronik in einer kühleren Zone, die durch eine Wand von der Heißzone des Getriebes oder des Motors getrennt ist. Die Sonde ragt durch ein Loch in der Wand des Getriebes oder Motorgehäuses in die heiße Zone hinein, in der sich das Impulsrad dreht.
Falls zusätzlich zur Drehzahl auch die Drehrichtung erfasst werden soll, so bestehen in der Anordnung gemäß 4 zwei Möglichkeiten. Entweder können die Zähne des Impulsrads derart kodiert werden, dass sie durch ihre magnetische oder nicht-magnetische Markierung einzeln unterscheidbar sind. Dann genügt, wie dargestellt, eine Einzelsonde, deren aufeinanderfolgende Signalhübe die Richtungserkennung zulassen. Alternativ dazu kann es bei einem völlig unkodierten Impulsrad bleiben, wenn benachbart zu der dargestellten Einzelsonde eine weitere Einzelsonde, in Drehrichtung des Außenumfangs des Impulsrads versetzt, an dem Schaltungsträger angeordnet ist. Wenn der seitliche Abstand dieser zwei Sonden in Laufrichtung nicht der Periodizität der Impulszähne entspricht, dann kann detektiert werden, an welcher der Sonden der Impuls eines Zahns zuerst auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202004019489 U1 [0007]

Claims

Induktiver Sensor mit Spulen, die gleichsam schichtweise an einem flächigen Schaltungsträger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten des flächigen Schaltungsträgers schräg metallisiert sind, so dass eine Oberseite und/oder eine Unterseite und/oder eine Zwischenschicht und/oder mehrere Zwischenschichten des flächigen Schaltungsträgers leitfähig über die Kanten miteinander verbunden sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schräge Metallisierung der Schaltungsträgerkanten durch ein schräges Einfräsen oder Ätzen oder Lasern einer insgesamt metallisierten Kante realisiert ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine spiralförmige Wiederholung des schrägen Einfräsens oder Ätzens oder Laserns über alle Kanten des Schaltungsträgers.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Realisierung der quasi schichtweisen Spulen an einem sondenartigen Fortsatz des flächigen Schaltungsträgers (2).
Induktiver Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine kammartige Wiederholung des sondenartigen Fortsatzes so, dass ein lineares Spulenarray entsteht (3).
Induktiver Sensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Verwendung des Spulenarrays als lineares oder Weg-Mess-System, bei dem ein Bedämpfungselement in einem gegebenen Abstand entweder über das Spulenarray oder seitlich davon hinwegbewegt wird (3).
Induktiver Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Drehzahl-Mess-System, bei dem Zähne eines Impulsrads in einem gegebenen Abstand an der Einzelsonde vorbeidrehen (4).
Induktiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne des Impulsrads magnetisch oder alternativ nicht-magnetisch, d. h. weichmagnetisch oder elektrisch leitend, auf die Spule wirken (4).
Induktiver Sensor nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Kodierung oder Einzelmarkierung der Zähne des Impulsrads so, dass neben der Drehzahl auch die Drehrichtung detektiert werden kann (4).
Induktiver Sensor nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine zweite, benachbarte, in Drehrichtung des Außenumfangs von unkodierten Zähnen des Impulsrads versetzte Einzelsonde so, dass neben der Drehzahl auch die Drehrichtung erfasst werden kann.