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Die Erfindung betrifft eine induktive Sensorvorrichtung mit wenigstens einer Spule, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass Wickelspulen zur Erfassung von induzierten Spannungen in Sensorvorrichtungen genutzt werden. Dabei nutzt man den physikalischen Effekt der elektromagnetischen Induktion aus, wobei ein elektrisches Feld in einer Spule durch Änderungen einer magnetischen Flussdichte entsteht. Dadurch lässt sich ein berührungsfreier Sensor ausbilden, wodurch ein wartungsarmer Sensor aufgebaut werden kann. Die Wickelspule wird dabei auf einem Trägermaterial angeordnet. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass die gesamte Bauform der Sensorvorrichtung im Wesentlichen von der Wickelspule mitgeprägt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, wobei die Sensorvorrichtung nur im Wesentlichen von der Bauform des Trägerelementes beeinflusst wird. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
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Die Erfindung offenbart eine induktive Sensorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Spule, wobei die Spule auf einem Trägerelement angeordnet ist. Die Spule ist mit einer Elektronikeinheit elektrisch verbunden. Durch die Spule ist eine induzierte Spannung registrierbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trägerelement eine erste Seite aufweist, wobei die Spule auf der ersten Seite des Trägerelementes durch wenigstens eine Planarspule ausgebildet ist. Die Nutzung von einer Planarspule ermöglicht es, dass die Bauform des Trägerelementes im Wesentlichen unverändert bleibt. Betrachtungen für den Bauraum der Sensorvorrichtung können daher nur auf die Bauform des Trägerelementes unabhängig von der Geometrie und/oder der tatsächlichen Abmessung der Planarspule bezogen werden. Dementsprechend kann während der Entwicklung eines induktiven Messsystems, bei dem die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Einsatz kommt, der Bauraum des Messsystems unabhängig von der Geometrie der Planarspule erfolgen. Die Planarspule kann aus dünnen Drähten gefertigt sein, welche planar, d.h. in der Ebene des Trägerelementes angeordnet wird. Die Drähte können z.B. über ein Klebeverfahren an dem Trägerelement angeordnet werden. Dabei ist es denkbar, dass mehr als eine Planarspule auf dem Trägerelement angeordnet wird. Damit kann die Elektronikeinheit die induzierte Spannung in der Planarspule verursacht durch ein sich änderndes Magnetfeld, welches auf die Planarspulen einwirkt, genau erfasst werden. So können z.B. drei Planarspulen zum Einsatz kommen, die ebenfalls auf der ersten Seite des Trägerelementes angeordnet sind. Je mehr Planarspulen auf der ersten Seite des Trägerelementes angeordnet werden, desto genauer kann die induzierte Spannung durch die Elektronikeinheit erfasst werden. So kann die induktive Sensorvorrichtung als eine Empfangsspule in dem induktiven Messsystem zum Einsatz kommen. Das induktive Messsystem kann z.B. die induktive Sensorvorrichtung als Empfangsspule, eine Senderspule und einen Rotor aufweisen. Die Senderspule und die Empfangsspule, d. h. die erfindungsgemäße induktive Sensorvorrichtung, können dabei auf dem Trägerelement zusammen mit der Elektronikeinheit angeordnet werden. Durch die Senderspule kann dann ein Wechselstrom fließen, der ein elektromagnetisches Feld in der Senderspule erzeugt, wobei der Rotor durch das sich ändernde elektromagnetische Feld durchsetzt wird. Der Rotor weist dabei wenigstens eine Rotorspule auf, wobei in der Rotorspule durch das sich ändernde elektromagnetische Feld ebenfalls ein Wechselstrom erzeugt wird, der wiederum ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das zu Rückwirkungen auf die Empfangsspule führt. Dadurch kann in der Empfangsspule eine Spannung induziert werden, die von der Position des Rotors abhängig ist und von der Elektronikeinheit ausgewertet werden kann. Der Rotor kann dementsprechend drehbar und berührungslos an der Empfängerspule mit einem gewissen Abstand angeordnet sein. Dabei ist ein Abstand von 0,05 mm bis 7 mm vorteilhaft, um die induzierten Spannungen durch die Empfangsspule messtechnisch sicher durch die Elektronikeinheit auswerten zu können. Vorteilhafterweise kann durch eine Anordnung von mindestens zwei Planarspulen eine genauere Rotationsbewegung des Rotors erfasst werden als bei einem Einsatz von einer Planarspule. Allerdings trägt auch eine höhere Wickeldichte zu einer genaueren Erfassung der induzierten Spannung bei. So kann die Erfassung der Rotorbewegung für eine Winkelmessung genutzt werden. Damit können selbst geringste Drehbewegungen des Rotors durch die induktive Sensorvorrichtung erfasst werden. Ebenfalls ist es vorstellbar, dass durch die erfindungsgemäße induktive Sensorvorrichtung auch eine Translationsbewegung erfassbar ist. So kann an der induktiven Sensorvorrichtung translatorisch eine Messspule vorbeigeführt werden, sodass auch hier das gleiche Prinzip wie bei dem Messsystem mit dem Rotor und der Empfängerspule gilt. Bei einer Vorbeiführung der Messspule an der Empfangsspule kann in der Messspule ein Wechselstrom induziert werden, der wiederum ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das wiederum zu Rückwirkungen auf die induktive Sensorvorrichtung, d. h. der Empfangsspule führen kann. Durch die induzierte Spannung in der induktiven Sensorvorrichtung kann dann durch die Elektronikeinheit die translatorische Bewegung der Messspule ausgewertet werden. Auch ist es vorstellbar, dass die Planarspule dreiphasig ausgebildet ist, wobei jede Spule in der Ebene um 120° versetzt angeordnet werden kann. Damit lassen sich Spulengeometrien erstellen, die die erste Seite des Trägerelementes ganzflächig ausnutzen können, wodurch induzierte Spannungen in der Spule durch ein wechselndes Magnetfeld exakt gemessen werden können.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Planarspule als Leiterbahn ausgebildet ist, insbesondere als mäanderförmige, spiralförmige oder schneckenförmige Leiterbahn ausgebildet ist. Die Ausbildung der Planarspule als Leiterbahn bietet den Vorteil, dass eine Bauhöhe des Trägerelementes durch die Planarspule unwesentlich beeinflusst wird. Die Leiterbahn kann in ihrer Höhe wesentlich kleiner dimensioniert werden als die Höhe des Trägerelementes. So kann als Trägerelement eine Epoxyd-Platine zum Einsatz kommen. Die Epoxyd-Platine kann mit einer Kupferfolie auf der ersten Seite überzogen sein. Die Kupferfolie kann dabei über ein Klebverfahren an die Epoxyd-Platine angeordnet werden. Die Leiterbahn kann über ein Ätz- oder ein Fräsverfahren auf der Epoxyd-Platine hergestellt werden. Der Vorteil des Ätzverfahrens liegt in einer schnellen und kostengünstigen Erstellung der Leiterbahn als Planarspule. Ein Vorteil des Fräsverfahrens liegt in der chemiefreien Ausbildung der Leiterbahn auf der Epoxyd-Platine. Auch ist es vorstellbar, dass das Trägerelement aus Kunststoff hergestellt ist. Kunststoff ist ein guter Isolator, wodurch die erste Seite des Trägerelementes sehr gut von weiteren Seiten des Trägerelementes isoliert werden kann. Zudem kann ein biegsamer Kunststoff eingesetzt werden, wodurch der Einsatz der induktiven Sensorvorrichtung in toleranzbehafteten Gehäusen eingesetzt werden kann. So kann die Sensorvorrichtung als Winkelmessvorrichtung für z. B. eine Drosselklappe eines Brennstoffmotors eingesetzt werden. Die Ausbildung der Planarspule als mäanderförmige Leiterbahn bietet den Vorteil, dass Anschlusselemente der mäanderförmigen Planarspule nebeneinander zum Liegen kommen können. Dadurch kann ein direkter Anschluss an die Elektronikeinheit gewährleistet werden. Die Ausbildung der Planarspule als schneckenförmige Leiterbahn kann dabei die Sensitivität zur Erfassung der induzierten Spannung erhöhen.
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Es kann ferner vorteilhaft sein, dass das Trägerelement eine erste Öffnung aufweist, wobei die Elektronikeinheit im Bereich der ersten Öffnung angeordnet ist. So kann die Elektronikeinheit vorteilhafterweise in der ersten Öffnung angeordnet werden. Das Trägerelement weist eine bestimmte Höhe auf, wobei die Höhe der ersten Öffnung durch die Höhe des Trägerelementes vorbestimmt ist. Die Elektronikeinheit kann in ihrer Bauform so bestimmt werden, dass diese in die erste Öffnung passgenau eingelassen werden kann. Die Elektronikeinheit kann ein Mikrochip sein, wobei die Höhe des Chips exakt der Höhe des Trägerelementes ist. Dadurch wird eine durchgängige Ebene der ersten Seite geschaffen. So ist es vorstellbar, dass vorteilhafterweise auf der ersten Seite eine im Bereich der ersten Öffnung leitende Folie, insbesondere eine Kupferfolie angeordnet ist. Durch die Anordnung der Kupferfolie wird die erste Öffnung zu einer Seite hin begrenzt. Das Trägerelement weist eine zweite Seite auf, wobei die erste Öffnung über die zweite Seite erreichbar ist. Die Elektronikeinheit kann dementsprechend auf der Rückseite der Kupferfolie in der ersten Öffnung angebracht werden. Dabei kann die Elektronikeinheit über ein Klebeverfahren an die Kupferfolie angeklebt werden. Im Falle, dass die Elektronikeinheit von ihren Abmessungen her kleiner als die erste Öffnung ist, kann der dadurch entstehende Raum über ein Vergussverfahren ausgefüllt werden. Dabei kann eine Vergussmasse benutzt werden, die die Elektronikeinheit von dem Rand der ersten Öffnung elektrisch isolieren kann. Zudem kann die Vergussmasse die Elektronikeinheit im Bereich der ersten Öffnung fixieren. Weiterhin ist es denkbar, dass anstatt der Kupferfolie eine Goldfolie genutzt wird, wobei die Goldfolie vorteilhafterweise korrosionsbeständig ist. Ebenfalls sind Folien aus Aluminium einsetzbar, da sie einen guten Leitwert bei geringer Masse und eine bessere Korrosionsbeständigkeit wie Kupfer aufweisen.
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Ebenfalls ist es erfindungsgemäß denkbar, dass das Trägerelement mindestens eine zweite Öffnung aufweist, wobei im Bereich der zweiten Öffnung ein erstes Ende der Spule angeordnet ist. Durch die zweite Öffnung kann die erste Seite des Trägerelementes mit der zweiten Seite des Trägerelementes elektrisch mit einem Leitelement verbunden werden. Das Leitelement kann als Draht ausgebildet sein. Im Falle, dass die Planarspule z. B. als schneckenförmige Leiterbahn ausgebildet ist, wobei die schneckenförmige Leiterbahn ebenfalls ein zweites Ende aufweist, kann an dem ersten Ende der schneckenförmigen Leiterbahn und an dem zweiten Ende der schneckenförmigen Leiterbahn jeweils eine zweite Öffnung angeordnet sein. Durch jede der Öffnungen kann dann ein elektrischer Kontakt mit der zweiten Seite des Trägerelementes hergestellt werden. Ebenfalls kann auf der zweiten Seite des Trägerelementes die Elektronikeinheit angeordnet sein. Durch die Anordnung der zweiten Öffnung und der Elektronikeinheit auf der zweiten Seite des Trägerelementes kann wirkungsvoll eine Überkreuzung von Leiterbahnen auf der ersten Seite unterbleiben. Dementsprechend können die Spulen auf der ersten Seite des Trägerelementes über die zweite Seite des Trägerelementes elektrisch kontaktiert werden. Als elektrisches Leitelement kann hier ein Draht zum Einsatz kommen, wobei der Draht direkt von der ersten Seite über die zweite Öffnung bis zum Anschlusselement der Elektronikeinheit auf der zweiten Seite geführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, dass die erste Seite des Trägerelementes und/oder zweite Seite des Trägerelementes mit einer Schutzschicht überzogen ist. Da die Leiterbahnen aus einer kupferkaschierten Platine über ein Ätz- oder ein Fräsverfahren hergestellt werden können, kann zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen die Leiterbahn mit einer Schutzschicht überzogen werden. Diese Schutzschicht dient gleichzeitig zur Isolierung der Leiterbahn gegenüber einem äußeren Bauraum. So kann zudem bei Einsatz der induktiven Sensorvorrichtung in einem induktiven Messsystem gewährleistet werden, dass bei einer kurzzeitigen Berührung, z. B. des Rotors mit dem Trägerelement kein Kurzschluss entstehen kann. Dies kann z. B. bei einer heftigen Erschütterung des Messsystems der Fall sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die erste Öffnung und/oder zweite Öffnung des Trägerelementes gestanzt sind. Der Stanzvorgang der ersten und/oder zweiten Öffnung gewährleistet eine parallele Herstellung der ersten und/oder zweiten Öffnung. So können Stanzstempel zum Einsatz kommen, die das Trägerelement perforieren können. Diese Stanzstempel können dabei gleichzeitig zum Einsatz kommen, sodass in einem Arbeitsgang die erste und zweite Öffnung des Trägerelementes in einem Arbeitsgang hergestellt werden können. Vorteilhafterweise kommt es zu keinen Abrieb von Kupferspänen, sowie dies bei einem Bohrvorgang zur Bildung der ersten und/oder zweiten Öffnung der Fall ist. Die ausgestanzten Stücke entsprechen exakt der benötigten Öffnung in dem Trägerelement, wobei sichergestellt werden kann, dass die ausgestanzten Stücke nicht weiter im weiteren Herstellungsvorgang störend wirken. Zudem kann eine Absaugvorrichtung bei der Herstellung der ersten und/oder zweiten Öffnung des Trägerelementes zum Einsatz kommen, sodass nach dem Stanzvorgang die ausgestanzten Trägerelementstücke direkt abgesaugt werden können.
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Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer induktiven Sensorvorrichtung mit einer ersten Seite eines Trägerelementes,
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten Seite eines Trägerelementes einer erfindungsgemäßen induktiven Sensorvorrichtung,
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3 eine schematische Ansicht einer zweiten Seite eines Trägerelementes mit einer Elektronikeinheit in einer ersten Öffnung und
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4 eine schematische Ansicht einer zweiten Seite eines Trägerelementes mit einer dreiphasigen Spule.
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In 1 ist schematisch eine Ansicht einer ersten Seite 16 eines Trägerelmentes 12 einer induktiven Sensorvorrichtung 1 dargestellt. Die erste Seite 16 weist dabei eine Planarspulen 11 auf. Die Planarspulen 11 ist dabei elektrisch mit einer Elektronikeinheit 14 verbunden. Es ist denkbar, dass anstatt der mäanderförmigen Spule auch eine schneckenförmige Spule zum Einsatz kommen kann. Weiterhin ist es denkbar, dass mehrere Planarspulen zum Einsatz kommen können. So sind Mischformen denkbar, wobei mäanderförmige, schneckenförmige, kreisförmige oder zick-zack-förmige Planarspulen zum Einsatz kommen können. Alle Planarspulen können elektrisch mit der Elektronikeinheit 14 verbunden werden.
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In 2 ist schematisch eine zweite Seite 24 eines Trägerelementes 12 einer induktiven Sensorvorrichtung 1 dargestellt. Das Trägerelement 12 weist eine erste Seite 16 auf, wobei auf der ersten Seite 16 zwei Planarspulen 11, 11’ angeordnet sind. Die Leiterbahnen 11, 11’ sind mäanderförmig ausgebildet. Das Trägerelement 12 weist zwei zweite Öffnungen 22, 22’ auf. Im Bereich der zweiten Öffnung 22 ist ein erstes Ende der Planarspule 11 angeordnet. An einem zweiten Ende der Planarspule 11 ist eine zweite Öffnung 22’ ebenfalls angeordnet. Über beide zweite Öffnungen 22, 22’ kann dementsprechend über jeweils ein elektrisches Leitelement 28, 28' das erste und das zweite Ende der Planarspule 11 elektrisch kontaktiert werden. Es kommt dabei jeweils ein Draht 28, 28' zum Einsatz, der eine Elektronikeinheit 14 mit dem ersten und dem zweiten Ende über die zwei zweiten Öffnungen 22, 22’ elektrisch verbindet. Die Elektronikeinheit 14 ist dabei in der Höhe passgenau in einer ersten Öffnung 20 eingesetzt. Die erste Öffnung 20 ist über eine Vergussmasse 21 bis zum Bereich der Elektronikeinheit 14 geschlossen. Dadurch wird die Elektronikeinheit 14 in der ersten Öffnung 20 fixiert. Zudem kann die Elektronikeinheit 14 durch die Vergussmasse 21 elektrisch von dem Trägerelement 12 isoliert werden. Die Elektronikeinheit 14 weist Anschlusselemente auf, wobei die Anschlusselemente über jeweils einen Draht 28, 28' durch die zweiten Öffnungen 22 und 22’ mit der mäanderförmigen Planarspule 11 verbunden ist. Eine zweite Planarspule 11’ ist dabei parallel zu der Planarspule 11 elektrisch angeordnet.
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In der 3 ist schematisch eine zweite Seite 24 eines Trägerelementes 12 dargestellt. Die zweite Seite 24 weist eine schneckenförmige Planarspule 11'' auf. Das Trägerelement 12 weist ebenfalls eine erste Seite 16 auf, wobei die erste Seite 16 dabei eine leitende Folie 26 aufweist. Die leitende Folie 26 kann dabei eine Kupferschicht oder eine Goldschicht sein. Die leitende Folie ist über den gesamten Bereich der ersten Seite 16 ausgebildet. Die leitende Folie 26 kann dabei über ein Klebeverfahren mit dem Trägerelement 12 verbunden werden. Im Bereich der ersten Öffnung 20 ist eine Elektronikeinheit 14 angeordnet, wobei die Elektronikeinheit 14 auf einer Unterseite der leitenden Folie 26 im Bereich der ersten Öffnung 20 angeordnet ist. Die Elektronikeinheit 14 kann dabei auf der Unterseite der leitenden Folie 26 über ein Klebverfahren angeordnet werden. Auch ein loses Aufliegen der Elektronikeinheit 14 ist dabei möglich. Zur Fixierung der Elektronikeinheit 14 kann dabei ein Vergussverfahren zum Einsatz kommen, wobei die Vergussmasse die Elektronikeinheit 14 im Bereich der ersten Öffnung 20 fixieren kann. Die erste Seite 16 weist zwei mäanderförmige Planarspulen 11, 11’ auf. Die beiden mäanderförmigen Planarspulen 11, 11' weisen ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei das erste Ende über eine erste zweite Öffnung 22 und das zweite Ende über eine zweite zweite Öffnung 22’ von der zweiten Seite 24 des Trägerelementes 12 erreichbar ist. Die Elektronikeinheit 14 weist ein erstes Anschlusselement 15 auf, wobei das erste Anschlusselement 15 über einen Draht 28 mit dem ersten Ende der Planarspule 11 elektrisch leitend verbunden ist. Das zweite Anschlusselement 15’ ist dabei elektrisch leitend über einen Draht 28’ mit dem zweiten Ende der Planarspule 11 angeordnet. Dementsprechend ist eine Kontaktierung von der zweiten Seite 24 des Trägerelementes 12 durch die beiden zweiten Öffnungen 22 und 22’ mit der ersten Seite 16 des Trägerelementes 12 möglich. Auf der zweiten Seite 24 des Trägerelementes 12 ist die schneckenförmige Planarspule 11' angeordnet. Dabei ist ein erstes Ende der schneckenförmigen Planarspule 11’’ mit dem ersten Ende der Planarspule 11 über eine elektrisches Leitelement verbunden. Dies gilt ebenso für das zweite Ende der schneckenförmigen Planarspule 11’, wobei das zweite Ende der schneckenförmigen Planarspule 11’ mit dem zweiten Ende der Planarspule 11 über ein elektrisches Leitelement elektrisch verbunden ist. Als Verbindung kann hierbei ein Metallstift dienen. Auch ein Lötpunkt ist dabei denkbar, wobei die erste Seite 16 mit der zweiten Seite 24 des Trägerelementes 12 elektrisch verbunden werden kann.
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In 4 ist schematisch eine induktive Sensorvorrichtung 1 dargestellt, wobei auf einer zweiten Seite eines Trägerelementes 12 eine dreiphasige Planarspule 11, 11', 11'' angeordnet ist. Die dreiphasige Planarspule 11, 11', 11'' besteht aus drei Schneckenelementen, wobei jedes Schneckenelement in einem Winkel von 120° vom nächsten Schneckenelement versetzt angeordnet ist. Die Ausbildung der drei schneckenförmigen Planarspulen 11, 11', 11'' können als Leiterbahnen ausgebildet werden, wobei die Leiterbahnen über ein Ätzverfahren hergestellt werden können. Dazu kann eine kupferkaschierte Leiterplatte genutzt werden. Auch sind andere leitende Materialien außer Kupfer denkbar, so z. B. Gold. Des Weiteren weist das Trägerelement 12 insgesamt drei zweite Öffnungen 22, 22’, 22’’ auf, wobei jeweils ein erstes Ende der schneckenförmigen Planarspule an eine zweite Öffnung angeordnet ist. Die schneckenförmige Planarspule 11, 11', 11'', welche dreiphasig aufgebaut ist, gleicht in ihrem Ersatzschaltbild dreier Spulen, welche parallel zueinander angeordnet sind. Dabei ist das erste Ende der schneckenförmigen Spule 11 über eine zweite Öffnung 22 mit einem Draht 28 mit einer Elektronikeinheit 14 verbunden. Das erste Ende einer schneckenförmigen Planarspule 11’ ist dabei über eine zweite Öffnung 22’ elektrisch leitend über einen Draht 28’ mit der Elektronikeinheit 14 verbunden. Die dritte schneckenförmige Planarspule 11'' ist über eine zweite Öffnung 22’ mit einem Draht 28’’ mit der Elektronikeinheit 14 verbunden. Hier können weitere Planarspulen zum Einsatz kommen, welche insbesondere auch auf der ersten Seite 16 des Trägerelementes 12 angeordnet sein können. Anstatt der Drähte 28, 28’, 28’’ können ebenfalls Leiterbahnelemente von der Elektronikeinheit 14 zu der zweiten Öffnung 22, 22’, 22’’ geführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorvorrichtung
- 10
- Spule
- 11
- Planarspule
- 11’
- Planarspule
- 11’’
- Planarspule
- 12
- Trägerelement
- 14
- Elektronikeinheit
- 15
- Anschlusselement
- 15’
- Anschlusselement
- 16
- erste Seite
- 20
- erste Öffnung
- 22
- zweite Öffnung
- 22’
- zweite Öffnung
- 22’’
- zweite Öffnung
- 24
- zweite Seite
- 26
- Folie
- 28
- Draht
- 28’
- Draht
- 28’’
- Draht