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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor. Die Erfindung betrifft außerdem eine Messeinrichtung, insbesondere eine Füllstandsmesseinrichtung, mit wenigstens einem derartigen Positionssensor.
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Positionssensoren können in vielen Bereichen der Technik verwendet werden, bspw. um die Relativlage zwischen zweirelativ zueinander verstellbaren Bauteilen zu überwachen. Je nach Relativbewegung können dabei Wege oder Winkel gemessen werden. Insbesondere können derartige Positionssensoren in Messeinrichtungen verwendet werden, die zumindest einen solchen Positionssensor, eine auf geeignete Weise mit dem Positionssensor elektrisch verbundene Auswerteschaltung sowie eine mit dem jeweiligen Positionssensor zusammenwirkende Betätigungseinrichtung umfassen. Die Betätigungseinrichtung kann dabei auf geeignete Weise mit einem Positionsgeber zusammenwirken oder selbst den Positionsgeber bilden, der relativ zum Positionssensor verstellt wird und dessen Verstellung mit Hilfe des Positionssensors überwacht werden soll. Bei einer speziellen Anwendung kann es auch vorgesehen sein, den Positionsgeber als Schwimmer auszugestalten, wodurch mit Hilfe der Messeinrichtung z. B. ein Füllstand gemessen werden kann. In diesem Fall handelt es sich dann um eine Füllstandsmesseinrichtung.
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Füllstandsmesseinrichtungen können auch zum Überwachen eines Füllstands von aggressiven Medien zum Einsatz kommen. Weit verbreitet sind in der Fahrzeugtechnik dabei Tankstandsmesseinrichtungen, mit denen der Füllstand von Kraftstoff in einem Fahrzeugtank überwacht wird. Flüssige Kraftstoffe, wie Z. Bsp. Benzin, Diesel, Kerosin sowie synthetische Flüssigkraftstoffe, sind vergleichsweise aggressiv, was den Einsatz von Kunststoffen erschwert.
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Insbesondere können derartige Kraftstoffe in Verbindung mit Luft explosive Gemische ergeben, was die Anwendung elektrisch arbeitender Sensoren erschwert. Gerade bei Straßenfahrzeugen müssen die verwendeten Positionssensoren bzw. Messeinrichtungen außerdem sehr preiswert herstellbar sein, was eine zusätzliche Schwierigkeit bedeutet.
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Aus der
DE 10 2007 056 768 A1 ist ein Positionssensor bekannt, der zwei zueinander beabstandete Trägerfolien aufweist, die jeweils zumindest eine Elektrode besitzen. Ferner umfasst der bekannte Positionssensor ein weichmagnetisches Betätigungselement, das sich entlang einer der Trägerfolien erstreckt und an dieser angeordnet ist. Damit lässt sich der bekannte Positionssensor mittels Magnetkräften berührungslos betätigen. Um die Zuverlässigkeit dieser magnetischen Betätigung auch bei vergleichsweise kleinen Magnetkräften zu verbessern, kann das Betätigungselement beim bekannten Positionssensor aus einem Stapel von mindestens zwei weichmagnetischen Folienkörpern bestehen, die relativ zueinander in Scherrichtung elastisch und/oder beweglich angeordnet sind. Beim bekannten Positionssensor ist außerdem vorgesehen, die Sensorschaltung als Potentiometerschaltung auszugestalten. Ferner ist der Stapel der weichmagnetischen Folienkörper an der einen Trägerfolie an einer von der anderen Trägerfolien abgewandten Seite angeordnet, wobei die Elektroden der Sensorschaltung zwischen den beiden Trägerfolien angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Positionssensor der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Messeinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere für eine Verwendung in aggressiver Umgebung eignet und/oder eine hohe Zuverlässigkeit bietet und/oder preiswert herstellbar ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung wird gemäß einem ersten Aspekt darin gesehen, bei einem Positionssensor, der auf einem Träger nebeneinander eine Leiterbahn und eine Widerstandsbahn aufweist, beabstandet zu diesen Bahnen ein bahnförmiges Betätigungselement anzuordnen, das magnetisch anziehbar und elastisch verformbar ist und das zumindest an einer dem Träger zugewandten Seite elektrisch leitend ausgestaltet ist. Ferner ist dieses Betätigungselement so ausgelegt, dass es mittels Magnetkraft soweit elastisch biegeverformbar ist, dass es am Ort der Magnetkrafteinleitung lokal die Leiterbahn mit der Widerstandsbahn kontaktiert und elektrisch verbindet. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise ein berührungslos betätigbarer Positionssensor geschaffen werden, der als Rheostat oder als Potentiometer ausgestaltet sein kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass mit Hilfe des Betätigungselements direkt die elektrische Kontaktierung der beiden Bahnen realisiert wird, so dass das Betätigungselement selbst als Elektrode oder als Konnektor verwendet wird. Im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise entfällt dadurch zumindest eine Trägerfolie, was die Herstellungskosten für den Positionssensor signifikant reduziert.
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Zusätzlich oder alternativ beruht die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt auch auf der Überlegung, bei einem Positionssensor mit einem Träger, auf den eine Leiterbahn aus einem elektrischen Leitermaterial und eine Widerstandbahn nebeneinander aufgebracht sind, die Widerstandsbahn mit einer Vielzahl von Kontaktstreifen auszustatten, die entlang der Leiterbahn nebeneinander und voneinander sowie von der Leiterbahn beabstandet angeordnet sind und die aus einem elektrischen Leitermaterial bestehen. Ferner weist die Widerstandsbahn einen Widerstandsstreifen auf, der aus einem elektrischen Widerstandsmaterial besteht, der sich entlang der Leiterbahn erstreckt und der die Kontaktstreifen elektrisch miteinander verbindet. Mit Hilfe eines bahnförmigen Betätigungselements, das elastisch verformbar ist, das zumindest an einer dem Träger zugewandten Seite elektrisch leitend ausgestaltet ist und das beabstandet zur Leiterbahn und zur Widerstandsbahn angeordnet ist und das insbesondere magnetisch anziehbar ausgestaltet sein kann, kann die Leiterbahn mit wenigstens einem Kontaktstreifen elektrisch verbunden werden, und zwar lokal am Ort einer Krafteinleitung, die zu einer entsprechenden elastischen Biegeverformung des Betätigungselements führt. Wichtig ist hierbei, dass das Betätigungselement die Leiterbahn am Ort der Betätigung nicht mit dem Widerstandsstreifen, sondern mit zumindest einem der Kontaktstreifen elektrisch verbindet. Da die Kontaktstreifen ebenso wie die Leiterbahn aus einem Leitermaterial bestehen, ergibt sich durch die elektrische Kontaktierung über das Betätigungselement ein kleiner elektrischer Übergangswiderstand. Würde entsprechend konventioneller Vorgehensweise mit Hilfe des Betätigungselements die Leiterbahn mit dem Widerstandsstreifen direkt elektrisch verbunden werden, käme es zwischen dem Widerstandsstreifen, der insbesondere aus einer Leitplastik bestehen kann, zu einem vergleichsweise hohen Übergangswiderstand, was die Zuverlässigkeit der Messung bei den zur Verfügung stehenden Spannungen/Strömen beeinträchtigt. Zweckmäßig kann hierbei das Betätigungselement selbst aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Insbesondere kann es magnetisch anziehbar bzw. weichmagnetisch ausgestaltet sein, wodurch sich die erste Erfindung und die zweite Erfindung miteinander kombinieren lassen.
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Zusätzlich oder alternativ beruht die vorliegende Erfindung gemäß einem dritten Aspekt auf der Idee, bei einem Positionssensor, der einen Träger mit einer Leiterbahn und einer neben der Leiterbahn angeordneten Widerstandbahn sowie ein beabstandet zu den Bahnen angeordnetes, bahnförmiges Betätigungselement aufweist, das elastisch verformbar ist und das zumindest an einer dem Träger zugewandten Seite elektrisch leitend ausgestaltetest und mit dem, im Falle einer Betätigung, die Leiterbahn mit der Widerstandsbahn lokal am Ort einer Betätigungskrafteinleitung elektrisch verbindbar ist, den Träger und das Betätigungselement im Inneren eines Gehäuses unterzubringen, wobei im Gehäuseinneren ein erster elektrischer Kontakt mit der Leiterbahn und ein zweiter elektrischer Kontakt mit der Widerstandsbahn elektrisch verbunden sind. Das Gehäuse ist nach außen heliumdicht ausgestaltet und kann insbesondere für Magnetkräfte durchlässig ausgestaltet sein. Die elektrischen Kontakte sind heliumdicht aus dem Gehäuse herausgeführt. Durch das nach außen heliumdicht ausgestaltete Gehäuse, kann der Positionssensor besonders einfach in aggressiven Medien untergebracht werden, insbesondere in Kraftstoff. Somit eröffnet dieses hermetisch abgedichtete Gehäuse Verwendungsmöglichkeiten für den Positionssensor in besonders aggressiven Umgebungen, auch wenn der Positionssensor im Übrigen, also im Inneren des Gehäuses, weitgehend konventionell aufgebaut ist und insbesondere aus Materialien besteht, die bei einem direkten Kontakt mit den aggressiven Medien der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt wären. Besonders zweckmäßig ist dabei die Ausgestaltung des Gehäuses derart, dass es für Magnetkräfte durchlässig ist, so dass bei der Verwendung eines magnetisch anziehbaren Betätigungselements eine Betätigung des Betätigungselements ohne Berührung des Betätigungselements möglich ist, nämlich mit Hilfe von außen am Gehäuse aufgebrachten Magnetkräften, wobei diese Magnetkraftaufbringung mit oder ohne Berührung des Gehäuses stattfinden kann. Bezüglich des Betätigungselements jedenfalls ist die Betätigung berührungslos. Die hier beschriebene dritte Erfindung lässt sich ohne Weiteres mit der vorbeschriebenen ersten Erfindung oder mit der vorbeschriebenen zweiten Erfindung oder mit beiden vorbeschriebenen Erfindungen kombinieren. Die zuletzt genannte Kombination aller drei Erfindungen ist als Anspruch 1 beigefügt, dient jedoch nur als Diskussionsgrundlage und soll insbesondere einer Ausrichtung der Anmeldung auf eine der genannten drei Erfindungen nicht entgegenstehen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gehäuse zwei miteinander verschweißte Gehäuseteile aus Metall aufweisen. Grundsätzlich sind jedoch alternativ zu Metallen auch andere Werkstoffe denkbar, mit denen das Gehäuse heliumdicht ausgestaltet werden kann. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Glas hergestellt sein.
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Zweckmäßig kann das Gehäuse eine Grundplatte aufweisen, durch welche die elektrischen Kontakte durchgeführt sind und an welcher der Träger angebracht ist. Ferner kann das Gehäuse eine Abdeckung aufweisen, die an der Grundplatte befestigt ist. Das Gehäuseinnere ist dann zwischen Grundplatte und Abdeckung eingeschlossen. Hierdurch besitzt das Gehäuse einen besonders einfachen Aufbau. Bei Metallteilen, lassen sich Grundplatte und Abdeckung besonders preiswert durch Tiefziehen herstellen.
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Optional kann bspw. vorgesehen sein, den Träger mit der Grundplatte zu verkleben. Hierzu kann die Grundplatte optional Klebetaschen aufweisen, die zur Aufnahme von Klebstoff, zumindest für die Montage vorgesehen sind. Dies erleichtert die maschinelle Serienfertigung der Positionssensoren.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der jeweilige elektrische Kontakt mittels einer Glasdurchführung heliumdicht aus dem Gehäuse herausgeführt sein. Eine derartige Glasdurchführung kann besonders einfach heliumdicht ausgestaltet werden. Ferner lässt sie sich elektrisch isolierend ausgestalten, so dass mit Hilfe der Glasdurchführung gleichzeitig eine elektrische Isolierung, des jeweiligen elektrischen Kontakts, gegenüber dem Gehäuse realisiert werden kann.
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Zweckmäßig kann dabei vorgesehen sein, die jeweilige Glasdurchführung an einem Kontaktträger auszubilden, der in eine Gehäuseöffnung eingesetzt und heliumdicht mit dem Gehäuse verbunden ist. Insbesondere kann der Kontaktträger dabei aus Metall bestehen und mit dem metallischen Gehäuse verschweißt sein. Zur Anordnung des Kontaktträgers am Gehäuse kann die zuvor genannte Grundplatte die Öffnung für den Kontaktträger aufweisen, wobei optional diese Öffnung in einer Vertiefung vorgesehen sein kann, die in der Grundplatte zur versenkten Anordnung des Kontaktträgers ausgebildet sein kann.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Betätigungselement aus einer einzigen, insbesondere weichmagnetischen, Metallfolie gebildet sein. Alternativ dazu kann das Betätigungselement aus einem Stapel von mindestens zwei übereinander angeordneten, insbesondere weichmagnetischen, Metallfolien gebildet sein. Je nach verfügbaren magnetischen Betätigungskräften kann eine einzige Metallfolie ausreichen, um das Betätigungselement hinreichend elastisch verformen zu können. Eine verbesserte Kontaktierung ergibt sich jedoch, wenn ein Stapel von mindestens zwei übereinander angeordneten Metallfolien zur Realisierung des Betätigungselements verwendet wird, da sich innerhalb dieses Metallfolienstapels die magnetisch anziehbare Masse gegenüber einer einzigen Metallfolie signifikant vergrößert, während die Biegeelastizität des Metallfolienstapels gegenüber einer einzigen Metallfolie nur geringfügig reduziert ist.
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Optional kann im Metallfolienstapel zwischen zwei Metallfolien ein Distanzstreifen angeordnet sein, der sich entlang einer Kontaktzone erstreckt, entlang der das Betätigungselement durch Durchbiegung die Leiterbahn mit der Widerstandsbahn bzw. mit den Kontaktstreifen elektrisch verbinden kann, wobei der jeweilige Distanzstreifen quer zur Kontaktszone kleiner dimensioniert ist als die Metallfolien. Derartige Distanzstreifen gewährleisten einerseits die Beweglichkeit bzw. Elastizität der übereinander angeordneten Metallfolien relativ zueinander. Andererseits führt der Distanzstreifen zu einer Konzentration der Magnetkräfte auf den Kontaktstreifen, was die elektrische Kontaktierung durch einen erhöhten Anpressdruck verbessert.
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Bei einer anderen Ausführungsform können sich die Metallfolien des Metallfolienstapels bei fehlender Magnetkraft jeweils parallel zu einer Ebene erstrecken, die eine Scherkraftebene definiert und in der die Metallfolien relativ zueinander beweglich und/oder elastisch angeordnet sind. Durch diese Beweglichkeit bzw. Elastizität der Metallfolien relativ zueinander bleibt der Metallfolienstapel im hohen Maße biegeelastisch, da sich zwischen benachbarten Metallfolien keine übermäßige Verspannung ausbildet, die zu einer signifikanten Aussteifung des Metallfolienstapels führen würde.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Positionssensor als Rheostat ausgestaltet sein. In diesem Fall sind nur zwei elektrische Kontakte erforderlich, um die mit dem Positionssensor erfassbaren Signale zu erzeugen und auszuwerten. Alternativ ist es ebenso möglich, den Positionssensor als Potentiometer auszugestalten, der im Unterschied zum Rheostat einen dritten elektrischen Kontakt besitzt, der ebenfalls mit der Widerstandsbahn elektrisch verbunden ist, jedoch bezogen auf den zweiten Kontakt am entgegengesetzten Ende der Widerstandsbahn.
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Zweckmäßig ist der Positionssensor als geradliniger Weggeber ausgestaltet, so dass sich die Leiterbahn und die Widerstandsbahn geradlinig und parallel zueinander erstrecken. Dies führt zu einem einfachen Verformungsverhalten für das Betätigungselement, was die Reproduzierbarkeit der mit Hilfe des Positionssensors erfassten Positionssignale verbessert und eine Hysterese reduziert.
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Zweckmäßig kann der Positionssensor bei anderen vorteilhaften Ausführungsformen zumindest eines der folgenden Merkmale aufweisen. Ein Distanzrahmen kann vorgesehen sein, der am Träger angebracht ist und der das Betätigungselement von der Leiterbahn und von der Widerstandsbahn beabstandet positioniert. Ein Rahmen kann vorgesehen sein, der einen Aufnahmeraum zur Unterbringung des Betätigungselements seitlich einfasst und der insbesondere am Distanzrahmen angebracht sein kann. Ferner kann eine Abdeckfolie vorgesehen sein, die an einer vom Träger abgewandten Seite den Aufnahmeraum zur Unterbringung des Betätigungselements verschließt und die insbesondere am Rahmen angebracht sein kann. Der Träger kann aus einem Trägermaterial, wie z. Bsp. FR4, bestehen. Alternativ kann der Träger auch aus einer Kunststofffolie bestehen. Der Widerstandsstreifen ist zweckmäßig auf die Kontaktstreifen aufgedruckt. Der Widerstandsstreifen kann in einem von der Leiterbahn entfernten Bereich der Kontaktstreifen angeordnet sein. Die Kontaktierung der Kontaktstreifen mit der Leiterbahn erfolgt dann seitlich neben dem Widerstandsstreifen. Der Widerstandsstreifen kann aus Leitplastik hergestellt sein. Das Betätigungselement und/oder die zum Träger benachbarte Metallfolie können an einer dem Träger zugewandten Seite zumindest in einem die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstreifen und der Leiterbahn herstellenden Bereich vergoldet sein. Das Leitermaterial, das auf den Träger aufgebracht ist, kann Kupfer sein, das insbesondere an einer vom Träger abgewandten Seite vergoldet sein kann.
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Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform kann der Widerstandsstreifen vom Anfang der Leiterbahn (proximal zu den Kontakten) bis zum Ende der Leiterbahn (distal zu den Kontakten) eine gestuft oder kontinuierlich abnehmende oder zunehmende Breite besitzen. Optional kann dabei noch vorgesehen sein, dass mehrere Kontaktstreifengruppen vorgesehen sind, die jeweils durch mehrere Kontaktstreifen gebildet sind und denen dann ein Widerstandsstreifenabschnitt mit konstanter Breite zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme können die mit Hilfe des Positionssensors generierbaren Signale besser an die jeweilige Messtrecke adaptiert werden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Kontaktstreifengruppen vorgesehen sein, die jeweils durch mehrere Kontaktstreifen gebildet sind und denen jeweils ein eigener Abgleichwiderstand zugeordnet ist. Mit Hilfe derartiger Abgleichwiderstande lassen sich z. B. Herstellungstoleranzen ausgleichen. Ebenso lassen sich damit Nichtlinearitäten einer mit dem Positionssensor ausgestatteten Messeinrichtung ausgleichen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der jeweilige Abgleichwiderstand durch einen, insbesondere aufgedruckten, Abgleichwiderstandsstreifen aus einem Widerstandsmaterial gebildet ist, der zwei Kontaktstreifen der jeweiligen Kontaktstreifengruppe elektrisch miteinander verbindet, die an einer von der Leiterbahn abgewandten Seite gegenüber den anderen Kontaktstreifen verlängert sind. Hierdurch lassen sich die Abgleichwiderstände besonders einfach in die Widerstandbahn integrieren. Außerdem kann insbesondere vorgesehen sein, dass zumindest zwei verschiedenen Kontaktstreifengruppen unterschiedliche Abgleichwiderstandsstreifen zugeordnet sind, die sich hinsichtlich ihrer Breite voneinander unterscheiden. Somit kann auch hier individuell abgestimmt auf die Messtrecke eine Anpassung der Signale realisiert werden.
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Wie eingangs genannt, betrifft die Erfindung außerdem eine Messeinrichtung, die zumindest einen erfindungsgemäßen Positionssensor umfasst. Ferner umfasst die Messeinrichtung eine Auswerteschaltung, die mit den Kontakten des Positionssensors verbunden ist, sowie einen Magnetkrafterzeuger, der außen entlang eines Messbereichs des Positionssensors verstellbar ist, und zwar insbesondere berührungslos zum Positionssensor.
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Die Messeinrichtung kann optional mit einem Positionsgeber ausgestattet sein, der entlang der Messstrecke verstellbar ist und der über eine Kopplungseinrichtung mit dem Magnetkrafterzeuger gekoppelt ist, derart, dass eine Verstellbewegung des Positionsgebers entlang der Messstrecke mit einer Verstellbewegung des Magnetkrafterzeugers entlang des Messbereichs korreliert. Dabei kann die Kopplungseinrichtung eine Übersetzung bzw. eine Wandlung der Verstellbewegungen erzeugen. Beispielsweise kann die Messstrecke gekrümmt sein, während der Messbereich gerade ist. Insbesondere kann die Kopplungseinrichtung eine Kulissenführung aufweisen, die den Magnetkrafterzeuger entlang des Messbereichs führt. Der Positionsgeber kann bspw. ein Schwimmer sein. Der Magnetkrafterzeuger kann zweckmäßig ein Dauermagnet sein. Ebenso kann es sich dabei um einen Elektromagneten handeln.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung noch eine Füllstandsmesseinrichtung, insbesondere für einen Kraftstoffstank eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Positionssensor. Die Füllstandsmesseinrichtung umfasst außerdem einen als Schwimmer ausgestalteten Positionsgeber, der entlang einer Messstrecke verstellbar ist, die sich entlang des zu messenden Füllstands erstreckt. Ein Magnetkrafterzeuger, der entlang eines Messbereichs des Positionssensors verstellbar ist, ist mit Hilfe einer Kopplungseinrichtung mit dem Positionsgeber so gekoppelt, dass die Verstellbewegung des Positionsgebers entlang der Messstrecke mit der Verstellbewegung des Magnetkrafterzeugers entlang des Messbereichs korreliert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Draufsicht eines Positionssensors,
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2 eine Seitenansicht des Positionssensors,
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3 eine Stirnansicht des Positionssensors,
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4 einen Längsschnitt des Positionssensors entsprechend Schnittlinien IV in 1,
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5 einen Querschnitt des Positionssensors entsprechend Schnittlinien V in 1,
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6 eine isometrische Ansicht einer Grundplatte des Positionssensors,
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7 eine Ansicht wie in 6, jedoch zusätzlich mit einem Träger des Positionssensors,
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8 eine Ansicht wie in 7, jedoch zusätzlich mit einer Betätigungsanordnung des Positionssensors,
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9 ein verzerrter Querschnitt des Positionssensors im Bereich des Trägers mit Betätigungsanordnung,
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10 Draufsichten auf Bestandteile der Betätigungsanordnung, nämlich auf den Träger (a), einen Distanzrahmen (b), einen Rahmen (c), einen Metallfolienstapel (d) und eine Abdeckfolie (e),
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11 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Bereich des Trägers,
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12 eine Prinzipdarstellung einer als Füllstandsmesseinrichtung ausgestalteten Messeinrichtung,
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13 eine isometrische Ansicht der Füllstandsmesseinrichtung,
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14 einen Längsschnitt der Füllstandsmesseinrichtung aus 12 im Bereich des Positionssensors,
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15 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Widerstandsbahn des Positionssensors bei einer besonderen Ausführungsform.
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Entsprechend den 1 bis 15 umfasst ein Positionssensor 1 ein Gehäuse 2, das einen Gehäuseinnenraum bzw. ein Gehäuseinneres 3 umschließt. Im Gehäuseinneren 3 sind nun ein Träger 4 und eine Betätigungsanordnung 5 untergebracht, die aufeinander angeordnet sind.
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Gemäß den 7, 9, 10a und 11 sind auf den Träger 4 eine Leiterbahn 6 aus einem elektrischen Leitermaterial und eine Widerstandsbahn 7 nebeneinander aufgebracht. In der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform, weist die Widerstandsbahn 7 eine Vielzahl von Kontaktstreifen 8 auf, die entlang der Leiterbahn 6 nebeneinander angeordnet sind. Gleichzeitig sind diese Kontaktstreifen 8 voneinander sowie von der Leiterbahn 6 beabstandet angeordnet. Die Kontaktstreifen 8 bestehen ebenfalls aus einem elektrischen Leitermaterial. Außerdem weist die Widerstandsbahn 7 einen Widerstandsstreifen 9 auf, der aus einem elektrischen Widerstandsmaterial besteht. Der Widerstandsstreifen 9 erstreckt sich entlang der Leiterbahn 6 und verbindet die Kontaktstreifen 8 elektrisch miteinander.
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Entsprechend den 8 und 9 ist die Betätigungsanordnung 5 auf der gleichen Seite des Trägers 4 angeordnet, auf der auch die Bahnen 6, 7 angeordnet sind. Diese Betätigungsanordnung 5 umfasst gemäß 9 ein bahnförmiges Betätigungselement 10, das beabstandet zur Leiterbahn 6 und beabstandet zur Widerstandsbahn 7 angeordnet ist. Das Betätigungselement 10 ist zweckmäßig magnetisch anziehbar ausgestaltet und außerdem elastisch verformbar ausgestaltet. Hierzu besteht es aus einem weichmagnetischen Material. Das Betätigungselement 10 ist ferner zumindest an einer dem Träger 4 zugewandten Seite 11 elektrisch leitend ausgestaltet. Mit Hilfe eines Magnetkrafterzeugers 12, der als Elektromagnet oder als Dauermagnet ausgestaltet sein kann, kann eine durch einen Doppelpfeil angedeutete Magnetkraft 13 auf das Betätigungselement 10 aufgebracht werden, ohne dass hierzu das Betätigungselement 10 berührt werden muss. Am Ort der Magnetkrafteinleitung kann das Betätigungselement 10 durch die Magnetkraft 13 soweit elastisch biegeverformt werden, dass es an diesem Ort der Magnetkrafteinleitung lokal die Leiterbahn 6 mit wenigstens einem Kontaktstreifen 8 elektrisch verbindet. Hierzu berührt das Betätigungselement 10 mit seiner dem Träger 4 zugewandten Seite 11 sowohl die Leiterbahn 6 als auch den jeweiligen Kontaktstreifen 8 zumindest in einem Kontaktbereich 14. Bemerkenswert ist dabei, dass die elektrische Verbindung zwischen Leiterbahn 6 und dem jeweiligen Kontaktstreifen 8 unmittelbar über das verformte Betätigungselement 10 erfolgt, so dass das Betätigungselement 10 einen elektrischen Konnektor repräsentiert. Bemerkenswert ist auch, dass die Kontaktierung der Leiterbahn 6 mit der Widerstandsbahn 7 außerhalb des Widerstandsstreifens 9 und somit ausschließlich im Bereich der Kontaktstreifen 8 erfolgt. Hierdurch kann eine elektrische Kontaktierung mit niedrigem Übergangswiderstand realisiert werden.
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Gemäß den 10a und 11 umfasst der Positionssensor 1 außerdem einen ersten elektrischen Kontakt 15, der im Gehäuseinneren 3 mit der Leiterbahn 6 elektrisch verbunden ist. Außerdem ist ein zweiter elektrischer Kontakt 16 vorgesehen, der mit der Widerstandsbahn 7 elektrisch verbunden ist. Zweckmäßig ist dabei der zweite elektrische Kontakt 16 mit einem ersten Kontaktstreifen 8' elektrisch verbunden, der an einem Anfang 17 der Leiterbahn 6 angeordnet ist. Dieser Anfang 17 befindet sich dabei proximal zu den zweckmäßig nebeneinander angeordneten Kontakten 15, 16. Mit Hilfe dieser beiden Kontakte 15, 16 kann der Positionssensor 1 als Rheostat verwendet werden.
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Optional kann außerdem ein dritter elektrischer Kontakt 18 vorgesehen sein, der ebenfalls mit der Widerstandsbahn 7 elektrisch verbunden ist, und zwar mit einem letzten Kontaktstreifen 8'', der an einem Ende 19 der Leiterbahn 6 angeordnet ist, wobei sich dieses Ende 19 distal zu den zweckmäßig nebeneinander angeordneten Kontakten 15, 16, 18 befindet. Sofern diese drei Kontakte 15, 16, 18 genutzt werden, kann der Positionssensor 1 als Potentiometer verwendet werden.
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Das Gehäuse 2 ist nach außen heliumdicht ausgestaltet. Ferner sind die elektrischen Kontakte 15 und 16 und optional 18 heliumdicht aus dem Gehäuse 2 herausgeführt. Zweckmäßig ist das Gehäuse 2 für die Magnetkräfte 13 durchlässig.
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Zweckmäßig ist das Gehäuse 2 aus Metall, insbesondere aus Edelstahlblech hergestellt. Bevorzugt wird dabei eine Ausführung, bei der das Gehäuse 2 zwei miteinander verschweißte Gehäuseteile 20, 21 aufweist, die beide aus Metall bestehen. Zweckmäßig ist dabei das eine Gehäuseteil 20 als Grundplatte konfiguriert, die im Folgenden ebenfalls mit 20 bezeichnet wird. Das andere Gehäuseteil 21 ist zweckmäßig als Abdeckung konfiguriert, die im Folgenden ebenfalls mit 21 bezeichnet wird. Die elektrischen Kontakte 15, 16 und optional 18 sind durch die Grundplatte 20 hindurchgeführt. Ferner ist der Träger 4 an der Grundplatte 20 befestigt. Beispielsweise kann der Träger 4 mit der Grundplatte 20 verklebt sein. Gemäß den 4 und 6 können an der Grundplatte 20 Klebetaschen 22 ausgeformt sein, z. Bsp. in Form von Vertiefungen. Diese Klebetaschen 22 können Klebstoff aufnehmen, der zum Fixieren des Trägers 4 an der Grundplatte 20 dient. Die Abdeckung 21 ist an der Grundplatte 20 befestigt, und zwar zweckmäßig mittels einer geschlossen umlaufenden Schweißnaht 23, wodurch die gewünschte Heliumdichtigkeit hergestellt wird. Zwischen Grundplatte 20 und Abdeckung 21 ist das Gehäuseinnere 3 eingeschlossen.
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Um die elektrischen Kontakte 15, 16 sowie ggf. 18 heliumdicht aus dem Gehäuse 2 herauszuführen, kann für den jeweiligen elektrischen Kontakt 15, 16 eine Glasdurchführung 24 vorgesehen sein. Mit anderen Worten, der jeweilige elektrische Kontakt 15, 16 ist mit Glas am Gehäuse 2 befestigt, wobei ein für den jeweiligen Kontakt 15, 16 vorgesehener Durchbruch mit dem Glas verschlossen wird. Das Glas bewirkt die gewünschte Heliumdichtigkeit und führt außerdem zu einer elektrischen Isolation des jeweiligen Kontakts 15, 16 gegenüber dem Gehäuse 2. Besonders vorteilhaft ist die hier gezeigte Ausführungsform, bei der die Glasdurchführungen 24 der Kontakte 15, 16 an einem gemeinsamen Kontaktträger 25 ausgebildet sind. Dieser Kontaktträger 25 ist hierzu in eine im Gehäuse 2 ausgebildete Gehäuseöffnung 26 eingesetzt und mit dem Gehäuse 2 heliumdicht verbunden. Zweckmäßig ist der Kontaktträger 25 hierzu aus einem Metall hergestellt, so dass er mit dem metallischen Gehäuse 2 verschweißt werden kann. Im Beispiel besitzt die Grundplatte 20 im Bereich der Gehäuseöffnung 26 eine Vertiefung 27, die eine versenkte Anordnung des Kontaktträgers 25 ermöglicht.
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Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform des Betätigungselements 10 ist das Betätigungselement 10 aus einem Stapel 28 von mindestens zwei weichmagnetischen Metallfolien 29 gebildet, die übereinander angeordnet sind. Im Beispiel der 9 sind rein exemplarisch drei derartige Metallfolien 9 dargestellt. Es ist klar, dass der Metallfolienstapel 28 auch mehr oder weniger als drei Metallfolien 29 aufweisen kann. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Betätigungselement 10 auch aus einer einzigen Metallfolie 29 gebildet sein.
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Im Beispiel ist im Metallfolienstapel 28 jeweils zwischen zwei Metallfolien 29 ein Distanzstreifen 30 angeordnet. Der jeweilige Distanzstreifen 30 erstreckt sich entlang der Kontaktzone 14. Wie vorstehend erwähnt, kann das Betätigungselement 10 entlang dieser Kontaktzone 14 durch Durchbiegung die Leiterbahn 6 mit dem jeweiligen Kontaktstreifen 8 elektrisch verbinden. Der Distanzstreifen 30 charakterisiert sich dadurch, dass er quer zur Kontaktzone, also in der Ebene des Querschnitts der 9 kleiner dimensioniert ist als die Metallfolien 29. Erkennbar erstrecken sich die Distanzstreifen 30 im Beispiel der 9 über maximal 20% der Breite der Metallfolien 29. Hierdurch wird eine Konzentration der magnetischen Kräfte 13 auf den Bereich der Kontaktzone 14 bewirkt.
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Innerhalb des Metallfolienstapels 28 erstrecken sich die einzelnen Metallfolien 29 jeweils parallel zu einer Ebene, die im Querschnitt der 9 senkrecht auf der Zeichnungsebene steht und die mit 31 bezeichnet ist. In dieser Ebene 31 sind die einzelnen Metallfolien 29 relativ zueinander beweglich bzw. elastisch angeordnet. Insoweit entspricht die Ebene 31 einer Scherkraftebene. Hierdurch bleibt der Metallfolienstapel 28 in hohem Maße biegeverformbar.
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Bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen ist der Positionssensor 1 als geradliniger Weggeber ausgestaltet. Folglich erstrecken sich die Leiterbahn 6 und die Widerstandsbahn 7 parallel zueinander und jeweils geradlinig. Dies vereinfacht eine präzise und reproduzierbare Kontaktierung und Positionsermittlung.
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Wie sich insbesondere den 2 bis 5 entnehmen lässt, ist der Positionssensor 1 insgesamt flach ausgestaltet, so dass seine Dicke 32 deutlich kleiner dimensioniert ist als seine Breite 33 und seine Länge 34. Beispielsweise kann das Gehäuse 2 des Positionssensors 1 mindestens viermal so breit wie dick und mindestens doppelt so lang wie breit sein.
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9 ist in der Dickenrichtung stark vergrößert dargestellt. Dementsprechend ist in 9 die flache Bauweise nicht erkennbar, dafür sind die einzelnen Komponenten der Betätigungsanordnung 5 erkennbar. Die Betätigungsanordnung 5 umfasst gemäß den 9 und 10 zusätzlich zum Betätigungselement 10 einen Distanzrahmen 35, der auch in 10b wiedergegeben ist und der am Träger 4 angebracht ist. Der Distanzrahmen 35 dient zur beabstandeten Positionierung des Betätigungselements 10 gegenüber der Leiterbahn 4 und gegenüber der Widerstandsbahn 7. Der Distanzrahmen 35 schafft dabei einen Abstand 36 zwischen den Bahnen 6, 7 und der dem Träger 4 zugewandten Seite 11 des Betätigungselements 10, der so bemessen ist, dass eine unbeabsichtigte elektrische Kontaktierung vermieden werden kann, während gleichzeitig im Falle einer Magnetkraftbeaufschlagung die gewünschte elektrische Kontaktierung gewährleistet ist.
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Des Weiteren ist ein Rahmen 37 vorgesehen, der in 10c wiedergegeben ist und der einen Aufnahmeraum 38 zur Unterbringung des Betätigungselements 10 seitlich einfasst. Zweckmäßig ist dieser Rahmen 37 am Distanzrahmen 35 angebracht. 10d zeigt das Betätigungselement bzw. den Metallfolienstapel 28 bestehend aus den Metallfolien 29 und den Distanzelementen 30.
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Zur Komplettierung der Betätigungsanordnung 5 kann eine Abdeckfolie 39 vorgesehen sein, die außerdem in 10e gestellt ist. Diese Abdeckfolie 39 verschließt den Aufnahmeraum 38 an einer vom Träger 4 abgewandten Seite. Zweckmäßig ist die Abdeckfolie 39 hierzu am Rahmen 37 angebracht. Hierdurch kann der Aufnahmeraum 38 hermetisch abgedichtet werden, beispielsweise um eine im Rahmen der Herstellung darin erzeugte trockene Atmosphäre zu konservieren.
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Die Abdeckfolie 39, der Rahmen 37 und der Distanzrahmen 35 bestehen zweckmäßig aus Kunststoff. Insbesondere können auch der Distanzrahmen 35 und der Rahmen 37 aus einem Folienmaterial hergestellt sein. Im Unterschied dazu ist der Träger 4 zweckmäßig aus einem Trägermaterial, wie z. Bsp. FR4, hergestellt. Alternativ kann auch ein anderes geeignetes Substrat, wie z. B. eine Kunststofffolie, verwendet werden, um darauf die Bahnen 6, 7 anzubringen.
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Der Widerstandsstreifen 9 ist zweckmäßig auf die Kontaktstreifen 8 aufgedruckt. Er kann bspw. aus einer Leitplastik hergestellt sein. Zweckmäßig befindet sich der Widerstandsstreifen 9 in einem Bereich der Kontaktstreifen 8, der bezüglich der Leiterbahn 6 distal angeordnet ist. Hierdurch kann eine versehentliche Kontaktierung des Betätigungselements 10 mit der Widerstandsbahn 9 vermieden werden, so dass die Kontaktierung ausschließlich im Kontaktbereich 14 erfolgt.
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Das Betätigungselement 10 bzw. die zum Träger 4 benachbart angeordnete Metallfolie 29 kann an der dem Träger 4 zugewandten Seite 11 zumindest in einem dem Kontaktbereich 14 zugeordneten Bereich 40 vergoldet sein. Das Leitermaterial kann zweckmäßig Kupfer sein. Optional kann das Leitermaterial, zweckmäßig das Kupfer, an einer vom Träger 4 abgewandten Seite vergoldet sein. Zweckmäßig werden die Leiterbahn 6 und die Kontaktstreifen 8 sowie Verbindungsleitungen 41, über welche die Kontakte 15, 16, 18 mit der jeweiligen Bahn 6, 7 elektrisch verbunden sind, dadurch hergestellt, dass eine durchgehende Beschichtung des Trägers 4 mit Leitermaterial entsprechend bearbeitet wird, bspw. durch übliche Ätzverfahren, um die genannten Komponenten des Sensors 1 freizulegen.
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Die 12–14 zeigen eine stark vereinfachte Messeinrichtung 42, die mit einem Positionssensor 1 der vorbeschriebenen Art ausgestattet ist. Die Messeinrichtung 42 kann eine Auswerteschaltung 43 aufweisen, die auf geeignete Weise, z. B. über Signalleitungen 44 mit dem Positionssensor 1 verbunden ist. Ferner umfasst die Messeinrichtung 42 einen Magnetkrafterzeuger 12, z. B. einen Permanentmagnet. Dieser Magnetkrafterzeuger 12 ist außen am Positionssensor 1 entlang eines Messbereichs 45 des Positionssensors 1 verstellbar. Dabei kann der Magnetkrafterzeuger 12 relativ zum Positionssensor 1 so verstellbar sein, dass er den Positionssensor 1 nicht berührt. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Relativbewegung mit Kontakt zwischen Magnetkrafterzeuger 12 und Positionssensor 1 denkbar. Zur Verschleißreduzierung wird jedoch eine berührungslose Verstellung bevorzugt.
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Die Messeinrichtung 42 kann außerdem einen Positionsgeber 46 aufweisen, der entlang einer Messstrecke 47 verstellbar ist. Eine Kopplungseinrichtung 48 koppelt des Positionsgeber 46 mit dem Magnetkrafterzeuger 12, derart, dass eine durch einen Doppelpfeil angedeutete Versteilbewegung 49 des Positionsgebers 46 entlang der Messstrecke 47 mit einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Versteilbewegung 15 des Magnetkrafterzeugers 12 entlang des Messbereichs 45 korreliert. Im Beispiel umfasst die Kopplungseinrichtung 48 einen Schwenkarm 51, der einerseits den Positionsgeber 46 trägt und der andererseits z. B. an einem Gehäuse 52 der Messeinrichtung 42 schwenkbar gelagert ist, wobei eine Schwenkbewegung in 12 und 13 durch einen Doppelpfeil angedeutet und mit 53 bezeichnet ist. Ferner kann die Kopplungseinrichtung 48 eine Kulissenführung 54 aufweisen, die den Magnetkrafterzeuger 12 entlang des Messbereichs 45 führt. Die Messstrecke 47, also die Bewegungsbahn, die der Positionsgeber 46 durchläuft, kann gekrümmt sein, während der Messbereich 45 geradlinig verläuft. Die Kopplungseinrichtung 48 übersetzt somit die gekrümmte Bewegung bzw. die Kurvenbahn des Positionsgebers 46 in eine geradlinige Verstellung des Magnetkrafterzeugers 12. Gleichzeitig kann die Kopplungseinrichtung 48 hierbei eine Wegübersetzung realisieren. Beispielsweise kann gemäß den 13 und 14 der Magnetkrafterzeuger 12 hierzu in einem Gleitkörper 57 angeordnet sein, der einerseits in der Kulissenführung 54 geführt verstellbar ist und der andererseits entlang des Schwenkarms 51 verstellbar ist.
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Im Beispiel der 12–14 ist die Messeinrichtung 42 als Füllstandsmesseinrichtung 42 ausgestaltet, die bspw. in einem Tank 55 angeordnet sein kann, bei dem es sich bspw. um einen Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs handeln kann. Der Positionsgeber 46 ist hierbei als Schwimmer ausgestaltet und bewegt sich mit einem Flüssigkeitspegel 56 innerhalb des Tanks 55. Die Messstrecke 47 erstreckt sich somit entlang des zu messenden Füllstands. Besonders vorteilhaft bei der hier gezeigten Füllstandsmesseinrichtung 42 ist, dass das Betätigungselement 10 des Positionssensors 1 mittels magnetischer Kräfte des Magnetkrafterzeugers 12 durch das hermetisch abgedichtete Gehäuse 2 des Positionssensors 1 hindurch betätigt werden kann. Gleichzeitig kann auch die elektrische Kontaktierung des Positionssensors 1 dicht durch das Gehäuse 2 hindurch realisiert werden. Somit lässt sich mit Hilfe des hier vorgestellten Positionssensors 1 auch bei aggressiven Umgebungen eine hohe Funktionssicherheit realisieren. Das Gehäuse 52 kann zu Unterbringung einer Kraftstoffpumpe im Tank 55 dienen.
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Bei einer solchen Anwendung, bei welcher eine Kreisbogenbewegung des Positionsgebers 46 in eine Linearbewegung des Magnetkrafterzeugers 12 übersetzt bzw. gewandelt wird, kann es zu einem Tangensfehler kommen, der insbesondere in der zugehörigen Auswerteschaltung 43 durch einen entsprechenden Tangensausgleich berücksichtigt bzw. eliminiert werden kann, um die Korrelation zwischen den Bewegungen des Positionsgebers 46 und des Magnetkrafterzeugers 12 zu verbessern.
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Entsprechend 15 kann bei einer weiteren besonderen Ausführungsform des Positionssensors 1 vorgesehen sein, den Widerstandsstreifen 9 so auszugestalten bzw. so aufzudrucken, dass er von dem proximal zu den Kontakten 15, 16 angeordneten Anfang 17 der Leiterbahn 6 bis zu dem distal zu den Kontakten 15, 16 angeordneten Ende 19 der Leiterbahn 6 eine zunehmende Breite 58 besitzt. Die Breite 58 nimmt im Beispiel gestuft vom Anfang 17 bis zum Ende 19 zu. Es ist ebenso möglich, den Widerstandsstreifen 9 so auszugestalten, dass seine Breite 58 ungestuft kontinuierlich, insbesondere linear, zunimmt. Alternativ kann der Widerstandsstreifen 9 auch so gestaltet werden, dass seine Breite 58 vom Anfang 17 bis zum Ende 19 gestuft oder kontinuierlich abnimmt. Im gezeigten Beispiel ist außerdem vorgesehen, dass mehrere Kontaktstreifengruppen 59 gebildet sind, die jeweils durch mehrere Kontaktstreifen 8 gebildet sind und denen dann jeweils ein Abschnitt 60 des Widerstandsstreifens 9 mit konstanter Breite 58 zugeordnet ist.
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15 zeigt außerdem eine Option, die zusätzlich oder alternativ zur vorstehend beschriebenen Gestaltung realisierbar ist. Beispielsweise können hierzu wieder mehrere Kontaktstreifengruppen 61 ausgebildet werden, die jeweils mehrere Kontaktstreifen 8 aufweisen und denen jeweils ein eigener Abgleichwiderstand 62 zugeordnet ist. Dabei kann der jeweilige Abgleichwiderstand 62 durch einen, insbesondere aufgedruckten, Abgleichwiderstandsstreifen 63 aus einem Widerstandsmaterial gebildet sein. Der jeweilige Abgleichwiderstandsstreifen 63 verbindet dabei jeweils zwei spezielle Kontaktstreifen 8' der jeweiligen Kontaktstreifengruppe 61 elektrisch miteinander. Diese speziellen Kontaktstreifen 8' sind an einer von der Leiterbahn 6 abgewandten Seite gegenüber den anderen normalen Kontaktstreifen 8 verlängert, so dass der jeweilige Abgleichwiderstandsstreifen 63 beabstandet zum Widerstandsstreifen 9 auf den Träger 4 aufgebracht werden kann. Mit Hilfe derartiger Abgleichwiderstande 62 lassen sich z. B. Herstellungstoleranzen ausgleichen. Ein derartiger Abgleich wird zweckmäßig mittels eines sogenannten L-cuts 64 realisiert, der einen sich quer zum Abgleichwiderstandsstreifen 63 ersteckenden Quercut für den Grobabgleich und einen sich parallel zum Abgleichwiderstandsstreifen 63 ersteckenden Längscut für den Feinabgleich aufweist.
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Außerdem kann nun optional vorgesehen sein, dass zumindest zwei verschiedenen Kontaktstreifengruppen 61 unterschiedliche Abgleichwiderstandsstreifen 63 zugeordnet sind, die sich hinsichtlich ihrer Breite 65 voneinander unterscheiden.
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Die variierende Breite 58 des Widerstandsstreifens 9 und/oder die Abgleichwiderstände 62 und/oder die variierende Breite 65 der Abgleichwiderstandsstreifen 63 kann/können insbesondere auch zur Korrektur des weiter oben erwähnten Tangensfehlers herangezogen werden. Weiter lassen sich diese Maßnahmen auch dazu verwenden, Nichtlinearitäten des Tanks 55 auszugleichen. Beispielsweise kann bei einer Fahrzeuganwendung der Fall auftreten, dass der Füllstand nicht linear mit dem Füllvolumen bzw. mit dem Tankinhalt korreliert, z. B. wenn der Tank 55 einen in der Höhe variierenden Querschnitt besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007056768 A1 [0005]
