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Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle, mit einem Gehäuse, das einen Deckel aufweist, mit einer Leiterplatte, die in dem Gehäuse befestigt ist und einen Stator sowie eine elektrische und/oder elektronische Schaltung umfasst, wobei die Leiterplatte zentrisch zum Stator mittels eines Dorns in dem Deckel zentriert ist, und mit einem Rotor, der an einem dem Gehäuse zugewandten Ende der Welle befestigt ist und mit der Leiterplatte zusammenwirkt.
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Solche Sensoren sind an sich bekannt. Sie werden unter anderem in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eine relative Drehposition von z. B. Stellantrieben oder Regelorganen zu bestimmen. Ein solcher Sensor ist an einem Ende einer Welle angeordnet, die einen Rotor des Sensors dreht und deren Drehposition zu bestimmen ist.
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Aus der
EP 1 688 605 A1 ist ein Winkelsensor bekannt, der einen in einem Gehäuse gelagerten Rotor sowie eine Leiterplatte mit einem Stator aufweist. Die Leiterplatte ist mit dem Gehäuse verschraubt. Daher ist die Herstellung dieses Sensors aufwendig.
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Die
DE 10 2007 021 162 A1 beschreibt einen induktiven Drehsensor (Winkelsensor), bei dem eine elektrische Kontaktierung der Leiterplatte mittels Einpresskontakten erfolgt. Diese bewirken zusammen mit Rastelementen eine Befestigung der Leiterplatte in dem Gehäuse. Hierdurch wird die Herstellung des Sensors vereinfacht.
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Die bekannten Drehsensoren haben den Nachteil, dass eine exakte radiale Positionierung des Rotors relativ zu dem Stator nicht gewährleistet werden kann. Dies ist durch Fertigungstoleranzen der Teile des Drehsensors bedingt. Daher können Messfehler durch Radialversatz, der im Bereich von +/–0,5 mm liegt, mehr als 2% betragen. Dies gilt besonders für 360°-Sensoren, weil hier die unterschiedlichen Toleranzen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand kompensiert werden können.
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Ausgehend von der
DE 10 2007 021 162 A1 ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Drehsensor zu schaffen, bei dem eine hohe Messgenauigkeit bei geringem Aufwand gewährleistet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Rotor weist eine zentrische Bohrung auf und der Dorn ragt mit minimalem oder keinem radialen Spiel in die Bohrung. Hierdurch ist eine exakte Zentrierung des Rotors zu der Leiterplatte und damit zu dem Stator gegeben. Das bedeutet, der Rotor ist exakt in der radialen Sollposition relativ zu dem Stator; wesentliche radiale Verschiebungen sind ausgeschlossen. Insbesondere sind Lageänderungen des Rotors zu dem Stator nach der Montage des Drehsensors praktisch ausgeschlossen. Hierdurch werden Messfehler vermieden, so dass eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Mit der Zentrierung des Rotors zu dem Stator wird gleichzeitig der Deckel in eine Solllage relativ zu der Welle und damit zu einem Gehäusekasten gebracht.
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Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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In einer Alternative der Erfindung ist ein Durchmesser einer kreisförmiger Umhüllenden des Dorns größer oder gleich dem Durchmesser der Bohrung. Hierdurch ist jegliches radiale Spiel zwischen dem Rotor und dem Stator ausgeschlossen. Eine anfangs eventuell erhöhte Reibung zwischen dem Dorn und dem Rotor wird nach weinigen Umdrehungen durch entsprechenden Abrieb beseitigt.
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In einer weiteren Alternative weist der Dorn einen Y-förmigen Querschnitt auf. Hierdurch ist die anfängliche Reibung unter Beibehaltung der Zentrierung stark vermindert. Der Querschnitt weist fertigungstechnische Vorteile auf.
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In einer weiteren Alternative weist der Dorn einen kreisförmigen Querschnitt mit am Außenumfang angeformten Rippen auf. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung in der Leiterplatte ist geringfügig größer als der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts. Die Rippen weisen eine sehr geringe radiale Erstreckung auf, die hierbei so bemessen ist, dass der Durchmesser der Umhüllenden des Dorns größer ist als die Durchmesser der Durchgangsbohrung und der Bohrung. Hierdurch kann der Stator auf der Leiterplatte ohne jegliches radiales Spiel zu dem Dorn in dem Gehäuse zentriert werden; bei der Montage der Leiterplatte müssen nur geringe Kräfte aufgebracht werden. Der Durchmesser der Bohrung ist bei dieser Alternative vorzugsweise geringfügig kleiner als der der Durchgangsbohrung; denn so wird eine Deformation der Rippen während der Montage der Leiterplatte und somit eine dadurch bedingte Verkleinerung der Umhüllenden ausgeglichen.
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Anhand der beigefügten schematischen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein Explosionsbild eines Teils eines Sensors und
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2 einen Ausschnitt des Sensors als vergrößertes Detail
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3 einen Querschnitt eines alternativen Dorns als Detail und
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4 einen Querschnitt eines weiteren alternativen Dorns als Detail.
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Ein Sensor 1 umfasst ein Gehäuse, von dem in der 1 nur ein Deckel 2 dargestellt ist. In einem Gehäusekasten des Gehäuses ist eine Welle W gelagert, die mittels eines Antriebs über ein in dem Gehäusekasten gelagertes Getriebe drehbar ist. Der Gehäusekasten ist an einem zu der Welle W gehörigen Bauteil befestigt oder angeformt. An dem Deckel 2 ist eine Steckbuchse 3 zum elektrischen Anschluss des Sensors 1 an einen Bordcomputer und gegebenenfalls des Antriebs angeformt. Der Deckel ist z. B. aus Glasfaser- verstärktem Kunststoff gefertigt.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist in dem Deckel 2 eine Leiterplatte 4 befestigt. Hierfür sind Einpresskontakte 5, die elektrisch in die Steckbuchse 3 geführt sind, sowie Rastelemente 6 angeordnet. Hierbei sind in dem Deckel 2 Auflageflächen für die Leiterplatte 4 ausgebildet, damit diese eine definierte Abstandslage zu dem Deckel 2 aufweist. Die Leiterplatte 4 weist elektrische Leiterstrukturen, insbesondere einen Stator 7 und z. B. Leiterbahnen, sowie elektrische und/oder elektronische Bauteile auf. Ein elektrische Anschluss der Leiterplatte 4 erfolgt mittels der Einpresskontakte 5.
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Damit der Stator 7 eine genau vorbestimmte Position innerhalb des Deckels 2 einnimmt, ist in dem Deckel 2 ein entsprechend positionierter Dorn 8 mit kreis- oder kreisringförmigem Querschnitt angeformt, der bei der montierten Leiterplatte 4 eine zentral zu dem Stator 7 angeordnete Durchgangsbohrung 9 durchdringt. Ein Durchmesser einer Umhüllenden des Dorns 8 ist genau so groß wie ein Durchmesser der kreisförmigen Durchgangsbohrung 9.
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Die Umhüllende ist ein Kreis, der bei geringst möglichem Durchmesser alle äußeren Punkte eines Querschnitts des Dorns 8 schneidet. Bei dieser Ausführung entspricht die Umhüllende also dem Außenumfang des Dorns 8.
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Der Dorn 8 erstreckt sich von dem Deckel 2 durch die Leiterplatte 4 und ragt für eine vorbestimmte Länge aus dieser hervor. Ein freies Ende des Dorns 8 ist über eine definierte Länge konisch verjüngt nach Art eines Kegelstumpfs geformt.
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Der Sensor 1 umfasst weiterhin einen Rotor 10, der in montiertem Zustand an einem entsprechenden Ende der Welle W befestigt ist. An einer von der Welle W abgewandten Stirnseite des Rotors 10 ist mindestens eine Leiterbahn als Rotorstruktur 11 angeordnet. Zentrisch zu der Rotorstruktur 11 ist eine durchgehende Bohrung 12 in die Stirnseite eingelassen. Es ist ein minimales oder alternativ kein Spiel zwischen der Bohrung 12 und der Umhüllenden des Dorns 8 vorhanden.
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Alternativ weist der Dorn 8 einen Y-förmigen Querschnitt auf, wie in der 3 vergrößert dargestellt ist. Das bedeutet, dass drei identische Schenkel 8a sich mit gleichem Winkelabstand radial von einem Punkt ausgehend erstrecken. Ein freies radiales Ende jedes der Schenkel 8a ist gerundet. Die Bohrung 12 und die Durchgangsbohrung 9 weisen hierbei den selben Durchmesser auf wie die gestrichelt gezeichnete Umhüllende U des Dorns 8.
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In einer weiteren Alternative, die in der 4 vergrößert dargestellt ist, weist der Dorn 8 einen kreis- oder kreisringförmigen Querschnitt auf, wobei an seinem Außenumfang gleichmäßig verteilt hier drei Rippen 13 angeordnet sind. Die Rippen 13 erstrecken sich radial um maximal 0,2 mm aus dem kreisförmigen Querschnitt des Dorns 8 hinaus und sind einstückig mit diesem und somit mit dem Deckel 2 gefertigt. Jede Rippe 13 weist einen schmalen, konischen Querschnitt mit gerundeter Spitze auf. Die Umhüllende U ist hier geringfügig – nämlich um die doppelte radiale Erstreckung der Rippe 13, also um maximal 0,4 mm – größer als die Durchgangsbohrung 9 und als die Bohrung 12. Aus fertigungstechnischen Gründen weist die Rippe 13, besonders in den spitzen Enden, eine geringere Festigkeit auf als der restliche Teil des Dorns 8. und ist daher leichter verformbar.
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Zur Montage des Sensors 1 wird der Rotor 10 koaxial an dem zugeordneten Ende der Welle W durch z. B. Kleben oder Bügeln befestigt.
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Die Leiterplatte 4 wird in den Deckel 2 eingelegt. Hierbei werden die Einpresskontakte 5 in zugehörige Kontaktöffnungen der Leiterplatte 4 gepresst, der Dorn 8 in die Durchgangsbohrung 9 je nach vorhandenem Spiel gepresst oder geführt und die Leiterplatte 4 mittels der Rastelemente 6 in dem Deckel 2 verrastet. Durch den Dorn 8 und die Auflageflächen ist der Stator 7 lagegenau in dem Deckel 2 zentriert. Bei der Ausführung des Dorns 8 mit den Rippen 13 werden diese beim Aufpressen der Leiterplatte 4 deformiert, indem Material entsprechend dem Durchmesser der Durchgangsbohrung 9 verformt und/oder abgeschabt wird.
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Der Deckel 2 mit der Leiterplatte 4 wird dann auf dem Gehäusekasten befestigt. Hierfür wird der Dorn in die Bohrung 12 des Rotors 10 geführt und gegebenenfalls gepresst. Hierdurch wird der Rotor 10 exakt zu dem Stator 7 zentriert. Der Deckel 2 wird z. B. mittels Schrauben an dem Gehäusekasten fixiert, so dass die Zentrierung auch dann dauerhaft gewährleistet ist, wenn das Spiel zwischen dem Dorn 8 und der Bohrung 12 durch Verschleiß zunimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Deckel
- 3
- Steckbuchse
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Einpresskontakt
- 6
- Rastelement
- 7
- Stator
- 8
- Dorn
- 9
- Durchgangsbohrung
- 10
- Rotor
- 11
- Rotorstruktur
- 12
- Bohrung
- 13
- Rippe
- U
- Umhüllende
- W
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1688605 A1 [0003]
- DE 102007021162 A1 [0004, 0006]
