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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorspule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sensorspulen werden unter anderem auch zur induktiven Wegaufnahme beispielsweise von Ventileinrichtungen in hydraulischen/pneumatischen Anlagen und dergleichen Fluidstromkreisen zur Bestimmung des Öffnungsgrads der betreffenden Ventileinrichtung eingesetzt. Derartige als Sensorspulen, oder konkreter als induktive Positionsgeber bezeichnete Wegeaufnehmer weisen in der Regel einen Spulenträger aus einem nicht leitenden sowie nicht magnetischen Material auf, der mit Bewicklungen in mindestens zwei oder mehreren Wicklungsfenstern versehen ist, die in dem Spulenträger in einem Axialabstand zueinander ausgebildet sind.
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Aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der
DE 37 04 189 A1 ist eine Stelleinrichtung für ein hydraulisches, elektromagnetisch steuerbares Proportionalventil bekannt. Diese Stelleinrichtung hat eine Hub- oder Betätigungsstange, an deren einem Ende ein Anker (allgemein auch als bewegliches Teil bezeichnet) fixiert ist. Die Hubstange und der Anker sind innerhalb eines Druckrohrs axialverschieblich geführt, auf das eine Magnetspule im Axialbereich des Ankers aufgewickelt ist. Am Anker ist ferner in axialer Verlängerung zur Hubstange ein Koppelglied fixiert mit einem magnetischen Aufnehmerkern, der in einem Aufnehmerrohr geführt ist. Das Aufnehmerrohr nicht magnetisch leitend bildet eine hülsenförmige Aufnahme für den Spulenträger beispielsweise aus Kunststoff, an dessen radialer Außenseite drei axialbeabstandete Wickelfenster für eine (mittlere) Primärwicklung und zwei beidseits der Primärwicklung angeordnete Sekundärwicklungen angeordnet sind. Die drei Wicklungen bilden die Messspulen zur Erfassung und Bestimmung der aktuellen Axialposition der Hubstange.
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Gemäß diesem Stand der Technik sind die Messspulen über einzelne Leitungen an eine Platine (Leiterplatte) zu deren Verschaltung angeschlossen, auf der auch die Steuerelektronik zur Steuerung der Stelleinrichtung aufgebracht ist.
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Im Allgemeinen werden Spulenträger dieser Gattung in einem Spritzgießverfahren hergestellt. Danach werden die am Spulenträger ausgebildeten Wickelfenster (bei Wegeaufnehmern vorzugsweise mindestens zwei Wickelfenster) jeweils mit einem Spulendraht bewickelt. Der Wickeldraht wird dabei unmittelbar am jeweiligen Wickelfenster an einem im Spulenträger eingespritzten oder darin eingepressten Kontaktpin befestigt oder über die anderen Wickelfenster nach Außen geführt.
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Zur besseren Verständlichkeit eines derartigen Aufbaus gemäß dem Stand der Technik wird auf die anliegende 3 verwiesen.
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Demzufolge sind die Wickelfenster des Spulenträgers durch radial vorstehende Umfangsabsätze axial voneinander getrennt, in die Kontaktpins an deren jeweilige äußere Umfangsflächen radial eingepresst oder eingespritzt sind. Die Kontaktpins sind mit den Enden der Wicklungen elektrisch verbunden und ragen in an einer externen Leiterplatte entsprechend ausgebildete Kontaktlöcher, in denen die Kontaktpins verlötet sind. Auf der Leiterplatte ist in herkömmlicher Weise eine Schaltung aufgedruckt/geätzt, um die Wicklungen in ebenfalls bekannter Weise zu verschalten (z. B. Brückendrossel oder Differenzialtransformator Ausführung). Die Art der Verschaltung der Wicklungen zur Wegeaufnahme zählt zum allgemein bekannten Stand der Technik, sodass an dieser Stelle auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen werden kann. Die Leiterplatte ist übrigens an den Spulenträger angeschraubt oder bei anderen Anwendungen wird die Leiterplatte nur an den angelöteten Pins gehalten.
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Bei diesem bekannten Aufbau einer Sensorspule zeigt sich. jedoch, dass insbesondere der konstruktive Aufwand sowie der Materialeinsatz sehr hoch ist, was zu hohen Herstellungskosten führt.
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In anderen Anwendungen (auch Stand der Technik) sind die Kontaktpins der Spule ausserhalb der Spulenfenster angeordnet. In diesen Fall muss der Wickeldraht über die anderen Wickelfenster geführt werden. Dadurch kann eine zusätzliche Leiterplatte die als Verbindungsglied zwischen den einzelnen Wicklungsfenster dient eingespart werden. Diese Lösung hat jedoch eine größere Unsymmetrie sowie Unlinearität am induktiven Positionsgeber zur Folge, welche sich nachteilig auf dessen Funktionsfähigkeit bzw. Messgenauigkeit auswirkt. Weiterhin ist der Aufwand während der Bewicklung der Spulen höher da der Wickeldraht noch zusätzlich über die anderen Wickelfenster geführt werden muss.
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Grundsätzlich besteht eine Bestrebung insbesondere auf dem Gebiet der Messtechnik darin, die verwendeten Sensoren, Aufnehmer und/oder Schalter zu verkleinern sowie kostengünstiger herzustellen. Eine prinzipielle Möglichkeit hierfür bietet die Integration bzw. Zusammenfassung mehrerer Funktionen in einem Bauteil sowie den vorteilhaft ausgewählten Einsatz neuer Herstellungsverfahren. Jedoch birgt das Integrieren mehrerer Funktionen in einem Bauteil immer das Problem eines Funktionskompromisses und damit einer Verschlechterung von Teilfunktionen. Neue Herstellungsverfahren bedingen in der Regel neue Konstruktionen, die ebenfalls mit der Funktion in Einklang gebracht werden müssen.
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Im vorliegenden Fall liegt der Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufbau einer Sensorspule dieser Gattung zu vereinfachen und gleichzeitig die Funktionalität zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensorspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist es demzufolge vorgesehen, den Spulenträger einer Sensorspule (insbesondere eines linear variablen Differenzialtransformators) als ein spritzgegossener Schaltungsträger (MID) auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass der Fertigungsaufwand zur Bereitstellung einer Verschaltung für die Wicklungen deutlich gesenkt werden kann, da keine Pins mehr in den Spulenträger eingegossen oder eingepresst werden müssen. Auch verringert sich die Zahl der notwendigen Bauteile (durch Wegfall externer Pins sowie einer externen Leiterplatte). Der gesamte Aufbau wird vibrationsunempfindlicher, da der Wicklungsträger keine Leiterplatte mehr tragen muss und auch keine Kontakte zwischen Leiterplatte und Pins mehr gelötet werden. Aufgrund der Verringerung der notwendigen Bauteile verringert sich auch die Baugröße der Sensorspule. Daher kann diese insgesamt kostengünstiger hergestellt und flexibler eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass vorzugsweise sämtliche für die Verschaltung der einzelnen Wicklungen notwendigen Leiterbahnen direkt auf der Spulenträgergeometrie angeordnet sind. Damit entfallen Verdrahtungen außerhalb des Spulenträgers, wodurch sich der gesamte Aufbau der Sensorspule vereinfacht und eine Baugrößenverringerung erzielt werden kann.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass die Leiterbahnen dreidimensional ausgerichtet sind. In diesem Fall können die Leiterbahnen der Außenkontur des Spulenträgers folgen, sodass diese ausschließlich an der Außenseite des Spulenträgers ausgebildet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin die dreidimensionalen Leiterbahnen in einen versenkten Kanal in den Wickelfenstern an den Spulenseiten und im Spulengrund unterzubringen, sodass die Wicklungen (Wickeldraht) der Sensorspule nicht direkt auf der in 3D aufgebrachten Leiterbahn (z. B. durch Vibrationen) keine Mikrobewegungen ausführen können und damit nicht den Wickeldraht (Drahtisolierung) als auch die dreidimensionale Leiterbahn beschädigen können.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass vorzugsweise sämtliche zum externen Anschluss der Sensorspule erforderlichen Kontakte vorzugsweise der Steckverbinderkontakt-Bauart direkt in die Spulenträgergeometrie (bei der Herstellung des Spuleträgers) eingebracht und mit den Leiterbahnen nach dem MID-Verfahren verbunden sind. Gleiches gilt vorzugsweise auch für die Anschlusspins der Wicklungen. Dies hat den Vorteil, dass keine externen Anschlusspins oder Kontaktstifte in den Spulenträger eingegossen oder eingepresst werden müssen, was die Herstellung der Sensorspule vereinfacht.
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Auch ist es vorteilhaft, dass zumindest eine Oszillator-/Demodulatorschaltung einschließlich der elektronischen Bauteile direkt auf dem Spulenträger aufgebracht ist. So entfällt auch für diese Schaltung die Anordnung einer externen Platine. Des Weiteren wird eine Verringerung der elektromagnetischen Störungen durch besonders kurze Verbindungen der wechselstromführenden Leitungen zwischen der Elektronik und den Spulen erreicht.
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Vorzugsweise sind die Steckverbinderkontakte an einem axialen Endabschnitt des Spulenträgers angeordnet, wofür der Spulenträger mit einer radialen Aussparung ausgebildet ist, in der die Steckverbinderkontakte stiftförmig radial vorragen. Dabei bildet die radiale Aussparung in bevorzugter Weise eine Aufnahmebuchse für einen Anschlussstecker. Durch diesen Aufbau sind die Steckverbinderkontakte mechanisch geschützt, wodurch die Funktionalität der Sensorspule verbessert wird. Gleichzeitig reduziert sich hierdurch der Materialaufwand und damit die Herstellungskosten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spulenträgers für eine erfindungsgemäße Sensorspule eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer ersten Schnittansicht,
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2 zeigt den Spulenträger aus 1 in einer zweiten, 90°-gedrehten Schnittansicht und
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3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spulenträgers mit Wicklungen gemäß einem allgemeinen Stand der Technik.
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In der 1 ist prinzipiell eint Wicklungsträger für einen induktiven Positionsgeber (Sensorspule) und insbesondere eines linear variablen Differenzialtransformators dargestellt. Der Positionsgeber vorzugsweise nach Art eines Differenzialtransformators hat demzufolge eine Erfassungseinheit 1, die eine Erregerspule 2 (mittig angeordnete Primärwicklung) aufweist, die mit einem elektrischen Signal einer Frequenz von beispielsweise 4 bis 15 kHz (Sinusförmig) beaufschlagt wird. Die Erfassungseinheit 1 hat des Weiteren eine erste Sensor- oder Erfassungsspule 4 (erste Sekundärwicklung), die benachbart zu einem axialen Ende der Primärwicklung 2 sowie konzentrisch mit der Primärwicklung 2 angeordnet ist sowie eine zweite Sensor- oder Erfassungsspule 6 (zweite Sekundärwicklung), die benachbart zu dem anderen axialen Ende der Primärwicklung 2 sowie konzentrisch der Primärwicklung 2 vorgesehen ist. Die drei Wicklungen 2, 4, 6 sind hierbei jeweils in einem Wicklungsfenster 8 aufgewickelt, welche von einem axial sich erstreckenden, vorzugsweise zylinderförmigen Basisträger 10 an dessen Umfangsabschnitt ausgebildet sind und die in axiale Richtung des Wicklungsträgers voneinander beabstandet sind. Hierfür hat der Wicklungsträger an seiner Mantelseite drei umlaufende sowie axial beabstandete Ausnehmungen, welche von radial vorstehenden sowie umlaufenden Stegen oder Umfangsabsätzen 12 voneinander getrennt sind. Im Basisträger 10 ist ferner eine nicht weiter dargestellte axiale Durchgangsbohrung ausgeformt, in der ein vorzugsweise runder magnetischer Kern (nicht gezeigt) axial verschieblich eingesetzt ist, der durch eine ebenfalls nicht gezeigte Achse mit einem beweglichen Teil eines weiteren Bauteiles wie beispielsweise eines Ventils (Proportionalventils) eines Maschinenwerkzeugs, eines Industrieroboterbauteils oder, dergleichen beweglichen Bauteile verbunden ist und der in der Erfassungseinheit 1 entlang der Mittelachse beweglich bei einer Bewegung des daran angeschlossenen beweglichen Teils eingelassen ist.
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Vorzugsweise ist die erste und zweite Sekundärwicklung 4, 6 in Axialrichtung des Wicklungsträgers länger ausgebildet als die zu erwartende Bewegungsstrecke des nicht gezeigten Kerns, wobei die Primärwicklung 2 in axialer Richtung des Wicklungsträgers im Wesentlichen so lang ist wie die erste beziehungsweise die zweite Sekundärwicklung 4, 6. Die erste und zweite Sekundärwicklung 4, 6 sind mit der Primärwicklung 2 magnetisch gekoppelt und werden dabei magnetischen Flüssen ausgesetzt, welche durch die Primärwicklung 2 erzeugt werden, um hierdurch eine elektrische Energie zu induzieren.
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Wenn sich in dem Positionsgeber mit vorstehenden prinzipiellen Aufbau die Eindringtiefe des Kerns in der ersten und zweiten Sekundärwicklung 4, 6 ändert, beispielsweise weil sich der Kern innerhalb der Erfassungseinheit 1 axial bewegt, ändert sich die Induktivität der ersten und zweiten Sekundärwicklung 4, 6 entsprechend der axialen Position des Kerns. Folglich ändert sich die durch den Magnetfluss der Primärwicklung 2 in der ersten und zweiten Sekundärwicklung 4, 6 induzierte elektrische Energie entsprechend der zurückgelegten Wegstrecke des magnetisch leitfähigen Kerns. Durch die Bestimmung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Sekundärwicklung 4, 6 kann der Differenzialtransformator des Positionsgebers mit hoher Genauigkeit die zurückgelegte Wegstrecke und eine geänderte Position des Kerns und damit des daran angeschlossenen beweglichen Schiebers bestimmen.
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Die Funktion eines derartigen induktiven Positionsgebers der linear variablen Differenzialtransformatorbauart ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, sodass an dieser Stelle auf eine weitere detaillierte Beschreibung dieser Funktionen verzichtet werden kann.
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Grundsätzlich ist es erforderlich die Primärwicklung 2 sowie die beiden Sekundärwicklungen 4, 6 an den jeweiligen axialen Enden der Primärwicklung 2 miteinander elektrisch zu verschalten, um die Primärwicklung 2 mit einem elektrischen Signal zu beaufschlagen und von den Sekundärwicklungen 4, 6 elektrische Ausgangsignale (entsprechend der Position des Kerns induzierte elektrische Energie) abzugreifen.
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Hierfür sind gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die für die Verschaltung der Primärwicklung 2 sowie der beiden Sekundärwicklungen 4, 6 erforderlichen elektrischen Leiterbahnen 14 direkt auf dem Spulenträger aufgebracht.
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Erfindungsgemäß ist der Spulenträger im Rahmen eines Spritzgießverfahrens vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt, wobei sämtliche für den Anschluss der Wicklungen erforderlichen Anschlusspins 16 hinsichtlich ihrer geometrischen Ausgestaltung integral am Spulenträger während dessen Herstellung ausgeformt werden.
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Insbesondere hat der Spulenträger gemäß des vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiels den axial sich erstreckenden zylinderförmigen Basisabschnitt 10, an welchem in gleichem Axialabstand zueinander die radial vorragende Umfangsabsätze 12 (vier axial beabstandete Trennplatten) einstückig angeformt sind. Hierdurch bilden sich die vorstehend genannten radialen Umfangsausnehmungen 8, welche von den Umfangsabsätzen 12 axial beabstandet sind. An einem gemeinsamen Umfangsabschnitt gemäß der 2 sind an den Umfangsabsätzen 12 noppen- bzw. zapfenförmige Vorsprünge 18 ausgeformt, welche geometrisch die vorstehend genannten Anschlusspins 16 darstellen. Des Weiteren hat der gemäß der 1 und 2 rechte äußere Umfangsabsatz 12 eine radiale buchsenförmige Ausnehmung 20, in der eine Anzahl von zueinander beabstandeten Stifte oder Zapfen 22 einstückig mit dem Wicklungsträger ausgeformt sind. Diese Stifte oder Zapfen 22 bilden Steckverbinder für das Anschließen der Wicklungen an eine externe Steuerungseinheit (nicht gezeigt). Vorzugsweise hat die Ausnehmung 20 in Radialrichtung sich erstreckende Nuten 24 an ihren jeweils sich gegenüber liegenden Seitenwänden, die zur Führung eines nicht weiter dargestellten, in die buchsenförmige Ausnehmung 20 einführbaren Steckers dienen.
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Grundsätzlich ist der Wicklungsträger nach dem sogenannten MID-Verfahren (Molded Interconnect Device) hergestellt. Hierunter versteht man einen spritzgegossenen Schaltungsträger, bei welchem metallische Leiterbahnen direkt auf dessen Oberfläche aufgetragen sind.
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Im vorliegenden Fall bildet der erfindungsgemäße Wicklungsträger einen derartigen spritzgegossenen Schaltungsträger aus einem Kunststoffmaterial, bei welchem nach dem Spritzgießen die hierbei ausgeformten zapfenförmigen Vorsprünge 18 sowie die stiftförmigen Steckkontakte 22 mit einem leitfähigen Material beispielsweise aus Kupfer oder Gold überzogen werden und anschließend die hierdurch fertiggestellten Anschlusspins 18 und Steckkontakte 22 durch die direkt auf die Oberfläche des spritzgegossenen Wicklungsträgers aufgebrachten Leiterbahnen 14 verbunden werden.
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Hierfür eignen sich unterschiedliche MID-Herstellungsverfahren wie beispielsweise das Zweikomponentenspritzguss-Verfahren, das Heißprägen, das Maskenbelich-tungsverfahren, das Laserstrukturieren und/oder das Folienhinterspritzen. Auch andere bekannte MID-Verfahren können zur Aufbringung der Leiterbahnen 14 auf dem Wicklungsträger Anwendung finden.
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Wie insbesondere die 2 zeigt, verlaufen die Leiterbahnen 14 ausgehend von den Steckkontakten 22 in der Steckverbinderausnehmung 22 im Wesentlichen parallel zueinander in axialer Richtung auf der Oberfläche des Basisträgers 10 und überqueren dabei die Außenkontur des Wicklungsträgers folgend die Trennplatten 12 zwischen den einzelnen Wicklungsfenstern 8. Die Leiterbahnen 14 enden dabei an den jeweils zugeordneten Anschlusspins 18, welche an dem definierten Umfangsabschnitt der jeweiligen Trennplatte 12 ausgeformt sind. Vorliegend können die Leiterbahnen 14 vorzugsweise aus Kupfer oder Gold gefertigt sein, wobei auch andere metallische Materialien Verwendung finden können, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Nach dem Aufbringen der Leiterbahnen 14 werden an den Anschlusspins 18 die Drahtenden für die jeweiligen Wicklungen 2, 4, 6 angewickelt und nach Aufwickeln der Primärwicklung 2 sowie der beiden Sekundärwicklungen 4, 6 mit den entsprechenden Anschlusspins 18 verlötet. Hierfür kann beispielsweise das aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannte Reflow-Verfahren angewandt werden, um eine dauerhafte feste Verbindung zwischen den Wicklungsenden und den Anschlusspins 18 mit den Leiterbahnen 14 herzustellen.
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Gemäß der vorstehenden Beschreibung erfolgt die gesamte Verschaltung der einzelnen Wicklungen vorzugsweise durch die nach dem MID-Verfahren bereitgestellten Leiterbahnen 14. Vorzugsweise ist auch die gesamte Oszillator-/Demodulatorschaltung direkt auf dem Spulenträger aufgebracht. Durch die kurze Länge der wechselspannunsführenden Verbindung zwischen der Schaltung und den Spulen verringern sich deutlich die Störungen, welche diese Leitungen ausstrahlen bzw. aufnehmen. Die Kapazitäten zwischen den Leitungen sind deutlich geringer was die Fehlermöglichkeiten verringert. Auch sind sämtliche Steckverbinderkontakte 22 für den Anschluss des induktiven Positionsgebers an eine externe Steuer-/Regeleinrichtung unmittelbar am Wicklungsträger ausgeformt. Hierdurch ergeben sich gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik deutliche Vorteile hinsichtlich einer flexiblieren Gestaltungsmöglichkeit bezüglich des Wicklungsträgers sowie eines effizienteren Herstellungsprozesses des Endproduktes. Die verbesserte Gestaltungsfreiheit, sowie die Integration der elektrischen und mechanischen Funktionen (insbesondere der für die Verschaltung der einzelnen Wicklungen 2, 4, 6 erforderlichen Leiterbahnen 14 sowie die mechanische Trennung der einzelnen Wickelfenster 8) im Einspritzgussteil, vorliegend dem Wicklungsträger, führt zu einer deutlichen Miniaturisierung der gesamte Baugruppe. Des Weiteren kann die aufgewendete Teilezahl reduziert und damit Material insgesamt eingespart werden. Außerdem verkürzt sich die gesamte Prozesskette zur Herstellung des Positionsgebers.
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Offenbart ist eine Sensorspule mit einem zumindest zwei Wickelfenster 8 ausbildenden Spulenträger, der erfindungsgemäß als ein spritzgegossener Schaltungsträger (MID) ausgebildet ist. Auf dem MID sind vorzugsweise sämtliche für die Verschaltung der einzelnen Wicklungen 2, 4, 6 notwendigen Leiterbahnen 14 in dreidimensionaler Ausrichtung aufgebracht. Weiter vorzugsweise sind die Steckverbinderkontakte 22 für den externen Anschluss der Sensorspule inklusive der Verbindungen mit den Leiterbahnen 14 per MID Verfahren auf dem Spulenträger (spritzgußtechnisch) ausgebildet. Noch weiter vorzugsweise ist die gesamte Oszillator/Demodulatorschaltung direkt auf dem Spulenträger nach dem MID Verfahren aufgebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erfassungseinheit
- 2
- Primärwicklung
- 4, 6
- erste, zweite Sekundärwicklung
- 8
- Wickelfenster
- 10
- Basisträger
- 12
- Umfangsabsätze
- 14
- Leiterbahnen
- 16
- Anschlusspins
- 18
- zapfenförmige Vorsprünge
- 20
- buchsenförmige Ausnehmung
- 22
- Stifte/Steckverbinder
- 24
- Nuten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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