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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen magnetsensitiven Positionssensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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STAND DER TECHNIK
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Ein passiver magnetischer Positionssensor ist aus der
DE 10 2008 007 399 A1 bekannt. Auf einem elektrisch isolierenden Träger ist dabei eine Widerstandsbahn aufgebracht, an der einzelne Leiterabschnitte vorgesehen sind. Der Positionssensor weist ferner ein an einer Seite des Trägers vorgesehenes Kontaktmittel auf, das einzelne Biegeelemente aufweist, die zum Träger beabstandet sind und unter Einwirkung einer beweglichen Magneteinrichtung zu den Leiterabschnitten hin ausgelenkt werden können, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Der magnetische Positionssensor kann als Potentiometer wirken, das eine Eingangsspannung einer Spannungsquelle in zwei variable Teilspannungen bzw. einen Gesamtwiderstand in zwei Teilwiderstände teilen kann. Je nach Position der Magneteinrichtung relativ zu dem Positionssensor können an diesem Potentiometer unterschiedliche Spannungen bzw. Widerstände gemessen werden und so die Relativposition bestimmt werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es kann ein Bedarf an einem magnetsensitiven Positionssensor bestehen, der eine erhöhte Zuverlässigkeit und/oder eine verlängerte Betriebslebensdauer verglichen mit herkömmlichen magnetsensitiven Positionssensoren aufweist.
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Diesem Bedarf kann mit dem Positionssensor, wie er in Anspruch 1 definiert ist, entsprochen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein magnetsensitiver Positionssensor eine elektrisch isolierende Trägerplatte und eine elektrisch leitfähige Kontaktierungsstruktur auf. Die Trägerplatine und die Kontaktierungsstruktur sind dabei beabstandet voneinander angeordnet und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet. An einer der Kontaktierungsstruktur zugewandten Oberfläche der Trägerplatine ist eine Widerstandsbahn und mehrere quer zu der Widerstandsbahn verlaufende und mit dieser elektrisch verbundene erste Leiterbahnfingerabschnitte angeordnet. Die Widerstandsbahn ist dabei mit einem ersten Anschluss des Positionssensors elektrisch verbunden. An einer der Kontaktierungsstruktur zugewandten Oberfläche der Trägerplatine ist ferner ein zweiter Leiterbahnabschnitt angeordnet, der mit einem zweiten Anschluss des Positionssensors elektrisch verbunden ist. Die Kontaktierungsstruktur weist mehrere erste Biegebalkenelemente auf, die beabstandet und vorzugsweise parallel zu den ersten Leiterbahnfingerabschnitten angeordnet sind, so dass zumindest Teile der Biegebalkenelemente in einer Draufsicht senkrecht zu der Kontaktierungsstruktur mit Teilen der Leiterbahnfingerabschnitte überlappen. Die Biegebalkenelemente können sich unter Einwirkung eines von einem beweglichen Magneten erzeugten Magnetfeldes zu den ersten Leiterbahnfingerabschnitten hin auslenken, um mit diesen in elektrischen Kontakt zu kommen.
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Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Positionssensoren weist die Kontaktierungsstruktur ferner mehrere zweite Biegebalkenelemente auf, die unter Einwirkung des von dem beweglichen Magneten erzeugten Magnetfeldes zu dem zweiten Leiterbahnabschnitt hin auslenkbar sind, um mit diesem in elektrischen Kontakt zu kommen. Die ersten Biegebalkenelemente und/oder die zweiten Biegebalkenelemente sind dabei an ihrem einen Ende bezüglich der Trägerplatine gehalten und an ihrem gegenüberliegenden Ende freitragend.
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Unter einem Biegebalkenelement kann in diesem Zusammenhang ein längliches, flexibles Element verstanden werden, dass bei Krafteinwirkung quer zu seiner Haupterstreckungsachse ausgelenkt werden kann. Das Biegebalkenelement kann aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Metall bestehen oder mit einem solchen Material beschichtet sein.
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Aspekte der Erfindung können als auf der folgenden Erkenntnis beruhend angesehen werden: Es wurde beobachtet, dass bei herkömmlichen Positionssensoren die Position des beweglichen Magneten relativ zu dem Sensor nicht immer zuverlässig gemessen werden konnte. Außerdem wurde beobachtet, dass solche herkömmlichen Positionssensoren teilweise einem erhöhten Verschleiß durch Materialermüdung unterliegen. Es wurde von den Erfindern erkannt, dass es aufgrund der strukturellen Ausgestaltung der herkömmlichen Positionssensoren, bei denen die Biegeelemente der Kontaktmittel an beiden Seiten befestigt sind und sich unter Einwirkung des Magnetfeldes in der Mitte durchbiegen müssen, zu wesentlichen mechanischen Spannungen innerhalb der Kontaktmittel kommen kann. Diese mechanischen Spannungen können dazu führen, dass die Biegeelemente des Kontaktmittels nicht zuverlässig in elektrischen Kontakt mit den auf der Trägerplatine vorgesehenen Leiterabschnitten kommen. Ferner kann es aufgrund solcher mechanischer Spannungen zu erhöhten Materialermüdungen kommen.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Positionssensor sollen übermäßige mechanische Spannungen dadurch vermieden werden, dass statt einzelner, durchgehender Biegeelemente, die an ihren beiden Enden festgelegt sind, jeweils zwei separate Biegebalkenelemente vorgesehen sind, die jeweils nur an ihrem einen Ende festgelegt sind und an ihrem gegenüberliegenden Ende freitragend ausgelegt sind. Aufgrund dieser freitragenden Struktur können die Biegebalkenelemente wesentlich einfacher ausgelenkt werden. Sie können daher einfacher und in zuverlässigerer Weise mit den darunterliegenden Leiterbahnfingerabschnitten auf der Trägerplatine in Kontakt kommen. Außerdem können reduzierte mechanische Spannungen zu verringerter Materialermüdung und damit erhöhte Betriebslebensdauer beitragen.
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Die ersten und die zweiten Biegebalkenelemente können entlang einer Linie einander gegenüberliegend angeordnet und durch einen voneinander Spalt getrennt sein. Mit anderen Worten können die ersten und die zweiten Biegebalkenelemente jeweils wie Teile eines gemeinsamen Biegebalkenelementes angeordnet sein, wobei die beiden Teile durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Dadurch kann erreicht werden, dass die ersten und die zweiten Biegebalkenelemente angrenzend an den Spalt freitragend sind.
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Die ersten Biegebalkenelemente und/oder die zweiten Biegebalkenelemente können jeweils parallel zueinander angeordnet sein, wobei ein erstes und ein benachbartes zweites Biegebalkenelement jeweils zueinander fluchtend ausgerichtet sein können. Mit anderen Worten können die ersten und/oder zweiten Biegebalkenelemente jeweils mit einer Kammstruktur ausgebildet sein, wobei sich die beiden Kammstrukturen der ersten und zweiten Biegebalkenelemente einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegen können.
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Zusätzlich zu dem ersten Leiterbahnabschnitt auf der Trägerplatine kann auch der zweite Leiterbahnabschnitt mit einer Mehrzahl von zweiten Leiterbahnfingerabschnitten ausgebildet sein. Das heißt, der erste und der zweite Leiterbahnabschnitt können ebenfalls mit einer kammartigen Struktur ausgebildet sein, bei der Leiterbahnfingerabschnitte des ersten und des zweiten Leiterbahnabschnittes sich in spiegelsymmetrischer Anordnung fluchtend miteinander gegenüberliegen und durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Dadurch, dass sowohl die ersten und zweiten Biegebalkenelemente der Kontaktierungsstruktur als auch die Leiterbahnfingerabschnitte auf der Trägerplatine mit einer kammartigen Struktur ausgebildet sein können, können diese beiden Komponenten in einfacher Weise übereinander angeordnet werden. Dabei sind die Biegebalkenelemente parallel zu den Leiterbahnfingerabschnitten angeordnet und von diesen im Normalfall beabstandet. Unter der Wirkung eines von dem beweglichen Magneten erzeugten Magnetfeldes werden die freitragenden Enden der jeweiligen Biegebalkenelemente hin zu den benachbarten Leiterbahnfingerabschnitten ausgelenkt und kommen mit diesen in mechanischen und elektrischen Kontakt.
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Die erste Mehrzahl von Biegebalkenelementen kann dabei mit der zweiten Mehrzahl von Biegebalkenelementen elektrisch verbunden sein. Dadurch kann erreicht werden, dass in dem Fall, dass ein oder mehrere erste Biegebalkenelemente aufgrund eines Magnetfeldes mit darunterliegenden ersten Leiterbahnfingerabschnitten in Kontakt kommen und entsprechende zweite Biegebalkenelemente mit darunterliegenden zweiten Leiterbahnfingerabschnitten in Kontakt kommen, die ersten und die zweiten Leiterbahnfingerabschnitte über die diese kontaktierenden Biegebalkenelemente, die untereinander wiederum elektrisch verbunden sind, elektrisch kurzgeschlossen werden. Abhängig vom Ort der diesen Kurzschluss bewirkenden Leiterbahnfingerabschnitte bzw. Biegebalkenelemente kann an dem ersten und zweiten Anschluss des Positionssensors, die jeweils mit den ersten bzw. zweiten Leiterbahnfingerabschnitten elektrisch verbunden sind, eine unterschiedliche Spannung bzw. ein unterschiedlicher elektrischer Widerstand an dem Positionssensor gemessen werden und somit auf die Position des Magneten, der die Biegebalkenelemente hin zu den Leiterbahnfingerabschnitten auslenkt, geschlossen werden.
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Die erste Mehrzahl von Biegebalkenelementen kann mit der zweiten Mehrzahl von Biegebalkenelementen über einen elektrisch leitfähigen Rahmen verbunden sein. Mit Hilfe eines solchen Rahmens kann eine einfache Ausgestaltung der Kontaktierungsstruktur erreicht werden. Vorzugsweise ist dabei die Kontaktierungsstruktur einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann die gesamte Kontaktierungsstruktur aus einer entsprechend strukturierten Metallfolie oder einem entsprechend strukturierten Metallblech ausgebildet sein. Die Metallfolie kann dabei beispielsweise derart ausgeschnitten sein bzw. das Metallblech kann derart ausgestanzt sein, dass lediglich Bereiche bleiben, die den Rahmen und die von diesen umgebenen ersten und zweiten Biegebalkenelemente bilden. Damit die Biegebalkenelemente aufgrund eines Magnetfeldes leicht auslenkbar sind, kann die Kontaktierungsstruktur dabei mit einem weichmagnetischen Material ausgebildet sein. Dabei kann die Kontaktierungsstruktur beispielsweise vollständig aus diesem weichmagnetischen Material bestehen, das heißt, die Metallfolie bzw. das dünne Metallblech kann aus weichmagnetischem Material bestehen. Alternativ kann die Kontaktierungsstruktur auch mit einem anderen, nicht-weichmagnetischen Trägermaterial wie beispielsweise Kunststoff ausgebildet sein, das zumindest im Bereich der Biegebalkenelemente mit einem weichmagnetischen Material beschichtet ist.
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Die ersten und/oder die zweiten Biegebalkenelemente können in einem Bereich benachbart zu den freitragenden Enden eine Verdickung aufweisen. Eine solche Verdickung kann zu einer Erhöhung des Volumens des weichmagnetischen Materials im Bereich der freitragenden Enden der Biegebalkenelemente führen, so dass aufgrund eines Magnetfeldes eine erhöhte Kraft auf die freitragenden Enden ausgeübt werden kann. Die freitragenden Enden werden somit aufgrund der Verdickung mit einer höheren Kraft ausgelenkt. Dadurch, dass sich die Verdickungen lediglich im Bereich der freitragenden Enden befinden, kann erreicht werden, dass sich die Biegebalkenelemente in angrenzenden, dünneren Bereichen weiterhin leicht durchbiegen lassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen, in nicht einschränkend auszulegender Weise, erläutert.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine isolierende Trägerplatine für einen Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kontaktierungsstruktur für einen Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine Draufsicht einer Überlagerung der Trägerplatine und der Kontaktierungsstruktur eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine Querschnittansicht eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A in 3.
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5 zeigt eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Bereichs innerhalb eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B in 3.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In den 1–4 ist ein erfindungsgemäßer Positionssensor 1 dargestellt, wobei 3 eine Draufsicht und 4 eine Querschnittansicht zeigen, bei denen die in 1 dargestellte Trägerplatine 3 und die in 2 dargestellte Kontaktierungsstruktur 5 übereinander und beabstandet voneinander angeordnet sind.
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Wie in 1 dargestellt, ist auf der Trägerplatine 3 eine Widerstandsbahn 7 angeordnet. Quer zu der Widerstandsbahn 7 verläuft eine Mehrzahl erster Leiterbahnfingerabschnitte 9, die parallel zueinander und entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Widerstandsbahn 7 beabstandet zueinander derart angeordnet sind, dass sie eine Kammstruktur bilden. Die Widerstandsbahn 7 und die Leiterbahnfingerabschnitte 9 sind elektrisch miteinander verbunden. Die Widerstandsbahn 7 ist ferner mit einem ersten Anschluss 11 des Positionssensors 1 verbunden. Auf der Trägerplatine 3 ist ferner ein weiterer Leiterbahnabschnitt 13 vorgesehen. Dieser Leiterbahnabschnitt 13 weist eine Mehrzahl von zweiten Leiterbahnfingerabschnitten 15 auf, die ähnlich wie die ersten Leiterbahnfingerabschnitte 9 eine Kammstruktur ausbilden, die spiegelverkehrt zu der Kammstruktur der ersten Leiterbahnfingerabschnitte 9 angeordnet ist. Die ersten Leiterbahnfingerabschnitte 9 und die zweiten Leiterbahnfingerabschnitte 15 sind fluchtend zueinander angeordnet und durch einen Spalt 21 voneinander sowohl mechanisch als auch elektrisch getrennt. Der zweite Leiterbahnabschnitt 13 ist mit einem zweiten Anschluss 17 des Positionssensors 1 verbunden.
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Die Trägerplatine 3 kann mit einem elektrisch isolierenden plattenförmigen Substrat 19 ausgebildet sein, auf das die elektrisch leitenden Strukturen der Widerstandsbahn, der Leiterbahnfingerabschnitte, etc. beispielsweise mit Hilfe einer Dickfilmtechnik oder einer Dünnfilmtechnik aufgebracht sind. Die Widerstandsbahn 7 weist dabei einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand auf als die Leiterbahnfingerabschnitte 9, 15.
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2 zeigt die Kontaktierungsstruktur 5, die, wie in den 3 und 4 dargestellt, über der Trägerplatine 3 und mit einem gewissen Abstand A zu dieser in dem Positionssensor 1 angeordnet ist. Die Kontaktierungsstruktur 5 weist einen Rahmen 23 auf, mit dem sie an der Trägerplatine 3 befestigt werden kann. Hierzu können Befestigungsstifte 25 durch Öffnungen 27 in der Trägerplatine 3 sowie Öffnungen 29 in der Kontaktierungsstruktur 5 verlaufen und diese mechanisch miteinander verbinden. Von dem Rahmen 23 nach innen ragen eine Mehrzahl von ersten Biegebalkenelementen 31 sowie eine Mehrzahl von zweiten Biegebalkenelementen 33 ab. Die ersten Biegebalkenelemente 31 sind dabei an ihrem einen Ende 35 mit dem Rahmen 23 verbunden und an ihrem gegenüberliegenden Ende 37 freitragend. In ähnlicher Weise sind auch die zweiten Biegebalkenelemente 33 an ihrem einen Ende 39 mit dem Rahmen 23 verbunden und an ihrem anderen Ende 41 freitragend. Ähnlich wie die ersten und zweiten Leiterbahnfingerabschnitte 9 und 15 der Trägerplatine 3 sind auch die Mehrzahl der ersten und zweiten Biegebalkenelemente 31, 33 mit einer kammartigen Struktur ausgebildet, bei der die einzelnen Biegebalkenelemente 31, 33 parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind. Die ersten Biegebalkenelemente 31 sind dabei durch einen Spalt 43 von den zweiten Biegebalkenelementen 33 beabstandet.
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Die gesamte Kontaktierungsstruktur 5 ist einstückig aus einer metallischen Folie bzw. einem Metallblech aus weichmagnetischem Material ausgebildet. Beispielsweise können die Strukturen der Biegebalkenelemente 31, 33 durch einfaches Ausstanzen gebildet werden. Aufgrund des zwischen den ersten und zweiten Biegebalkenelementen 31, 33 vorgesehenen Spaltes 43 sind deren zu einer Mittelachse der Kontaktierungsstruktur 5 gerichteten Enden 37, 41 freitragend. Im Bereich dieser Enden 37, 41 sind die Biegebalkenelemente 31, 33 mit Verdickungen 45, 47 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel stellen diese Verdickungen 45, 47 laterale Verbreiterungen der Biegebalkenelemente 31, 33 im Bereich der freitragenden Enden 37, 41 dar.
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Der magnetsensitive Positionssensor 1 kann als Potentiometer verstanden werden, das eine Eingangsspannung in zwei variable Teilspannungen bzw. einen Gesamtwiderstand in zwei Teilwiderständen teilen kann. Die Teilspannungen bzw. Teilwiderstände ergeben sich abhängig von einer Position eines beweglichen Magneten 49. Dieser bewegliche Magnet 49 kann beispielsweise als Permanentmagnet ausgeführt sein und in einer (nicht dargestellten) Führung beweglich gelagert sein, so dass er an einer Oberfläche der Trägerplatine 3, die der mit den Leiterbahnen versehenen Oberfläche gegenüberliegt, in einer Richtung quer zu den Leiterbahnfingerabschnitten 9, 15 bewegt werden kann.
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Um die empfindliche Kontaktierungsstruktur 5 und die Leiterbahnfingerabschnitte 9, 21 zu schützen, können diese von einer Kappe 53 abgedeckt sein.
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Die Biegebalkenelemente 31, 33 der Kontaktierungsstruktur 5 und die Leiterbahnfingerabschnitte 9, 15 der Trägerplatine 3 sind dabei derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass aufgrund des Magneten 49 die Biegebalkenelemente 31, 33 hin zu den jeweils im Abstand A benachbart angeordneten Leiterbahnfingerabschnitten 9, 15 bewegt werden und diese elektrisch kontaktieren. Da die ersten und zweiten Biegebalkenelemente 31, 33 über den gemeinsamen Rahmen 23 elektrisch miteinander verbunden sind, kommt es auf diese Weise zu einer elektrischen Verbindung der ersten Leiterbahnfingerabschnitte 9 mit den zweiten Leiterbahnfingerabschnitten 15 und somit zu einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 17 des Positionssensors 1. Eine Größe des elektrischen Widerstandes zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 11, 17 hängt dabei von der Position ab, an der Biegebalkenelemente 31, 33 jeweilige zugeordnete Leiterbahnfingerabschnitte 9, 15 kontaktieren, das heißt von der Länge des Pfades innerhalb der Widerstandsbahn 7, der den jeweiligen kontaktierten Leiterbahnfingerabschnitt 9 vom Anschluss 11 trennt.
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Aufgrund der freitragenden Ausgestaltung der Biegebalkenelemente 31, 33 sowie der an deren freitragenden Enden 37, 41 vorgesehenen Verdickungen 45, 47 können die Biegebalkenelemente 31, 33 aufgrund des von dem Magneten 49 erzeugten Magnetfeldes in einfacher Weise ausgelenkt werden. Es kommt zu einer zuverlässigen Detektion der Position des Magneten 49 relativ zu dem Positionssensor 1. Übermäßige mechanische Spannungen können vermieden werden, wodurch eine hohe Betriebslebensdauer erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008007399 A1 [0002]
