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Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber zur Erzeugung eines von der Position eines beweglichen Elements abhängigen elektrischen Signals, beispielsweise einen Drehwinkelsensor.
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Drehwinkelsensoren sind beispielsweise aus der
DE 197 37 063 A1 und aus der
DE 197 16 321 C1 bekannt. Sie weisen häufig einen Statorscheibe und eine gegen die Statorscheibe drehbare Rotorscheibe auf, wobei die Rotorscheibe zumindest einen Schleiferfinger und die Statorscheibe eine Schleifspur aufweist, auf der der Schleiferfinger gleitet und mit der er einen Schleifkontakt bildet. Die Rotorscheibe ist mit einem beweglichen Element verbunden, dessen Bewegung sie überträgt und dessen Position oder Drehwinkel bestimmt werden soll.
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Derartige Positionsgeber weisen häufig einen Funktionsbereich auf, der die Schleifspur aufweist, und einen toten Bereich, der keine Schleifspur aufweist, in den sich der Schleifer jedoch unter bestimmten Umständen, zum Beispiel bei der Montage und Reparatur oder bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch, bewegen kann. Beispielsweise kann bei einem Drehwinkel-sensor der Funktionsbereich 180 Grad betragen, wobei die andere Hälfte des Vollwinkels toter Bereich ist.
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Bei derartigen Positionsgebern ist problematisch, dass der Schleifer beim Verlassen der Schleifspur und beim Wiederauflaufen auf die Schleifspur einen Niveauunterschied zu überwinden hat, der aus der Dicke der als Widerstandsbahn und/oder als Leiterbahn aufgebrachten Schleifspur resultiert. Insbesondere beim Wiederauflaufen stoßen die Schleiferfinger oftmals gegen die Kante der Schleifspur und werden dabei verbogen oder es werden die den Kontakt haltenden Federn zerstört, so dass der Positionsgeber defekt oder zumindest nicht mehr zuverlässig funktionsfähig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Positionsgeber anzugeben, bei dem eine Vorschädigung der Schleiferfinger insbesondere bei der Montage ausgeschlossen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Positionsgeber zur Erzeugung eines von der Position eines beweglichen Elements abhängigen elektrischen Signals weist ein erstes Sensorelement mit zumindest einer von einer Widerstandsbahn auf einem Substrat gebildeten Schleifspur und ein zweites Sensorelement mit zumindest einem Schleiferfinger auf. Der Schleiferfinger überträgt die Position des beweglichen Elements und ist gegenüber der Schleifspur beweglich angeordnet und bildet mit dieser einen Schleifkontakt.
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Die Schleifspur ist in einem Funktionsbereich des ersten Sensorelements verlegt und das erste Sensorelement weist in einem toten Bereich keine Schleifspur auf. Unter dem toten Bereich des Positionsgebers wird demnach ein Bereich verstanden, in dem keine Schleifspur verlegt ist, in den sich der Schleifer jedoch unter bestimmten Umständen, zum Beispiel bei der Montage und Reparatur oder bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch, aufgrund der konstruktiv möglichen Relativbewegungen von erstem und zweitem Sensorelement bewegen kann.
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Mit anderen Worten: der Funktionsbereich des Positionsgebers ist aus der Menge derjenigen Positionen des Schleifers gebildet, die im Betrieb zulässigen Positionen des beweglichen Elements entsprechen, und der tote Bereich des Positionsgebers ist aus der Menge derjenigen Positionen des Schleifers gebildet, die im Betrieb nicht zulässigen Positionen des beweglichen Elements entsprechen.
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In zumindest einem Übergangsbereich zwischen dem Funktionsbereich und dem toten Bereich ist eine Füllstruktur angeordnet, die einen Niveauunterschied zwischen der Widerstandsbahn und dem Substrat überbrückt.
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Die Füllstruktur kann beispielsweise als Rampenstruktur ausgebildet sein, die die beiden unterschiedlichen Niveaus von Schleiferbahn und Substrat zumindest teilweise verbindet.
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Die kann auch als Materialbrücke zwischen zwei Enden der Schleifspur ausgebildet sein. Denkbar sind auch Kombinationen aus beiden Lösungen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es insbesondere bei der Montage bzw. beim Zusammenbau des Positionsgebers unter Umständen konstruktionsbedingt notwendig ist, den Schleifer in den toten Bereich zu bewegen. Es ist somit nicht in jedem Fall wünschenswert, eine Position des Schleifers im toten Bereich zu verhindern.
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Vielmehr sollte eine Bewegung des Schleifers vom Funktionsbereich in den toten Bereich und umgekehrt ohne eine Zerstörung der Schleiferfinger ermöglicht werden. Dies erfolgt durch das Vorsehen von Rampenstrukturen, die ein Aufgleiten der Schleiferfinger ermöglichen, so dass der Niveauunterschied zwischen dem Funktionsbereich und dem toten Bereich nicht abrupt, sondern auf einer stetigen Bahn überwunden werden kann.
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Die erfindungsgemäße Rampenstruktur ist sowohl in Positionsgebern einsetzbar, deren Schleifspur im Wesentlichen linear ausgebildet ist, als auch in Positionsgebern, deren Schleifspur im Wesentlichen kreisbogenförmig, elliptisch oder auf andere Weise gebogen ausgebildet ist. Sie kann daher sowohl in Drehwinkelsensoren als auch in linearen Wegaufnehmern eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform ist auf dem Substrat zusätzlich zumindest eine Leiterbahn angeordnet, auf der zumindest ein Schleiferfinger gleitet. Die Leiterbahn ermöglicht auf einfache Weise den Abgriff des Signals.
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Auch die Leiterbahn kann in zumindest einem Übergangsbereich zwischen dem Funktionsbereich und dem toten Bereich an einer Leiterbahnkante eine Rampenstruktur aufweisen, die einen Niveauunterschied zwischen der Leiterbahn und dem Substrat überbrückt.
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In einer Ausführungsform ist die Rampenstruktur an ihrem dem toten Bereich zugewandten Ende breiter ausgebildet als die Widerstandsbahn und/oder die Leiterbahn und weist seitliche Führungen auf, die den Schleiferfinger auf der Widerstandsbahn zentrieren.
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Die Rampenstruktur kann sowohl aus Metall als auch aus einem Kunststoff oder Keramik ausgebildet sein und entweder im gleichen Schritt aufgebracht werden wie die Leiterbahn und die Widerstandsbahn oder in einem separaten Prozess.
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Der erfindungsgemäße Positionsgeber eignet sich beispielsweise zur Erfassung der Stellung eines Kupplungspedals, eines Lenkwinkels oder des Öffnungswinkels einer Drosselklappe eines Kraftfahrzeugs.
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Er weist den Vorteil auf, dass die Zerstörung der Schleiferfinger an der Widerstandsbahnkante oder der Leiterbahnkante bei der Bewegung vom toten Bereich in den Funktionsbereich auf einfache Weise verhindert wird. Es besteht somit nicht mehr die Gefahr des Verbaus und der Verwendung nicht voll funktionstüchtiger Positionsgeber.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Positionsgeber gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Positionsgebers gemäß 1;
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3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Positionsgeber gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Positionsgeber gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Positionsgebers gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen als Drehwinkelsensor ausgebildeten Positionsgeber 1 mit einem ersten Sensorelement 2 und einem in der 1 nicht näher gezeigten zweiten Sensorelement, wobei der Positionsgeber 1 ein vom Drehwinkel eines beweglichen Elements, beispielsweise des Kupplungspedals einen Kraftfahrzeugs, abhängiges elektrisches Signal erzeugt.
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Dazu ist auf einem Substrat 3 des ersten Sensorelements 2 eine Widerstandsbahn 5 aufgebracht, die zusammen mit einem dem zweiten Sensorelement zugeordneten Schleifer 7 mit Schleiferfingern 8 einen Schleifkontakt 9 bildet.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Positionsgebers 1 ist auf dem Substrat 3 ferner eine Leiterbahn 4 aus einem elektrisch gut leitenden Material vorgesehen, über die der Abgriff erfolgt. Dazu weist der Schleifer 7 eine Anzahl von Schleiferfingern 8 auf, von denen einige auf der Widerstandsbahn 5 und andere auf der Leiterbahn 4 gleiten.
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Die Widerstandsbahn 5 und die Leiterbahn 4 sind auf dem Substrat 2 beispielsweise abgeschieden oder aufgedruckt oder durch Ätzprozesse aufgebracht und weisen prozesstechnisch bedingt eine bestimmte Dicke auf dem Substrat 2 auf.
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Mit dem Positionsgeber 1 gemäß der gezeigten Ausführungsform lassen sich Drehwinkel in einem Winkelbereich von etwa 120 Grad messen. Hierfür erstreckt sich ein Funktionsbereich des ersten Sensorelements 2, in dem die Schleifspur 6 verlegt ist, über einen Winkelbereich von 120 Grad.
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Außerhalb des Funktionsbereichs 10 erstreckt sich über die übrigen 240 Grad des Vollwinkels der tote Bereich 11, in dem keine Widerstandsbahn 5 und keine Leiterbahn 4 auf dem Substrat verlegt ist.
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Zwischen dem toten Bereich 11 und dem Funktionsbereich 10 ist an beiden Enden der Schleifspur 6 ein Übergangsbereich 15 angeordnet, in dem sowohl die Widerstandsbahn 5 als auch die Leiterbahn 4 als Rampenstrukturen 14 ausgebildete Füllstrukturen 19 aufweisen.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Positionsgebers 1 gemäß 1. In dieser Darstellung ist der Niveauunterschied von der Dicke d der Widerstandsbahn 5 zwischen der Widerstandsbahn 5 und dem Substrat 2 gut erkennbar.
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An der Widerstandsbahnkante 13 wird dieser Niveauunterschied d im Übergangsbereich 15 von der Rampenstruktur 14 überbrückt.
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In der gezeigten Ausführungsform sind Rampenstrukturen 14 an beiden Leiterbahnkanten 12 und beiden Widerstandsbahnkanten 13 vorgesehen. Abhängig davon, wie dick die Widerstandsbahn 5 und die Leiterbahn 4, die nicht notwendig gleich dick sein müssen, ausgebildet sind, kann auch an der Leiterbahn 4 oder an der Widerstandsbahn 5 auf die Rampenstrukturen 14 verzichtet werden.
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3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Positionsgeber 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der bereits beschriebenen dadurch, dass nicht nur im Übergangsbereich 15, sondern im gesamten toten Bereich 11 eine Füllstruktur 19 zur Überbrückung des Niveauunterschieds zwischen der Widerstandsbahn 5 und dem Substrat 2 vorgesehen ist.
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Bei dieser Ausführungsform muss der Schleifer 7 gar keinen Niveauunterschied mehr überwinden. Das Material für die Füllstruktur 19 wird derart gewählt, dass es die Funktion des Schleifkontakts 9 und insbesondere den Abgriff an der Widerstandsbahn 5 nicht stört.
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4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Positionsgeber 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten dadurch, dass die Füllstruktur 19 aus dem Material der Widerstandsbahn 5 und damit im gleichen Verfahrensschritt wie diese beispielsweise durch Ätzen hergestellt sein kann. Von der Widerstandsbahn 5 ist die Füllstruktur 19 entweder durch einen Zwischenraum 21 getrennt, der so schmal ist, dass der Schleiferfinger 8 einfach darüber gleitet, oder es ist ein mit einem geeigneten Material aufgefüllter Zwischenraum 20 vorgesehen.
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5 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Positionsgebers 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Füllstruktur 19 als Rampenstruktur 14 ausgebildet, die jedoch im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht erst an der Widerstandsbahnkante 13 ansetzt, sondern bereits etwas davor. Die Rampenstruktur 14 weist zudem eine Überhöhung 22 auf.
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Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Widerstandsbahnkante 13 zusätzlich gesichert ist. Insbesondere bei aufgeklebten Widerstandsbahnen 5 besteht nämlich auf Dauer die Gefahr eines Ablösens an der Widerstandsbahnkante 13, die durch häufiges Wiederauflaufen des Schleifers 7 noch verstärkt wird. Durch die über der Widerstandsbahnkante 13 aufgebrachte Rampenstruktur 14 wird die Widerstandsbahnkante 13 vor Verschleiß geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionsgeber
- 2
- erstes Sensorelement
- 3
- Substrat
- 4
- Leiterbahn
- 5
- Widerstandsbahn
- 6
- Schleifspur
- 7
- Schleifer
- 8
- Schleiferfinger
- 9
- Schleifkontakt
- 10
- Funktionsbereich
- 11
- toter Bereich
- 12
- Leiterbahnkante
- 13
- Widerstandsbahnkante
- 14
- Rampenstruktur
- 15
- Übergangsbereich
- 19
- Füllstruktur
- 20
- aufgefüllter Zwischenraum
- 21
- Zwischenraum
- 22
- Überhöhung
- d
- Dicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19737063 A1 [0002]
- DE 19716321 C1 [0002]
