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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Magnetfeldsensor, eine elektronische Baugruppe mit einer derartigen Leiterplatte, einen elektrischen Servomotor mit einer derartigen elektronischen Baugruppe, eine elektromechanische Lenkkraftunterstützungseinheit mit einem derartigen elektrischen Servomotor sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit.
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Heutzutage werden in zahlreichen Fahrzeugen wie z.B. Personenkraftwagen (Pkw), Lastkraftwagen (Lkw) oder Nutzfahrzeugen Lenkkraftunterstützungseinheiten eingesetzt, um dem Fahrer die Lenkung zu erleichtern. Neben hydraulischen Unterstützungseinheiten sind elektromechanische Unterstützungseinheiten bekannt und weit verbreitet. Hier wird die gewünschte Lenkbewegung des Fahrers erkannt und eine diese Bewegung unterstützende Kraft bzw. ein derartiges Moment über einen elektrischen Servomotor auf die mechanische Lenkungseinheit der Fahrzeugräder aufgebracht, welche zusätzlich zur Lenkbewegung des Fahrers wirkt. Der elektrische Servomotor kann z.B. auf die Lenksäule wirken, welche die Lenkbewegung des Fahrers am Lenkrad auf die Räder des Fahrzeugs überträgt. Eine derartige elektromechanische Lenkungseinheit eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Servomotor, dessen Abtriebswelle mit der Zahnstange verbunden ist, über die die Lenkbewegungen des Fahrers auf die Fahrzeugräder übertragen werden, ist z.B. in der
DE 10 2008 061 696 A1 beschrieben.
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Bei der Motorkommutierung des elektrischen Servomotors ist es erforderlich, dass die Winkellage des Rotors des Servomotors erfasst wird. Zur optimalen Ansteuerung des elektrischen Servomotors muss diese Lageerfassung möglichst genau erfolgen. Dies kann über einen Resolver erreicht werden. Auch können hierzu ein magnetoresistiver Sensor (MR-Sensor) oder auch ein Hall-Sensor verwendet werden, welche am Ende der Welle des Rotors des Servomotors vorgesehen sind. Hierbei wird ein bipolarer Magnet (Gebermagnet) auf dem Ende der Welle des Servomotors drehfest angeordnet, welches dem Ende der Welle, das die Kraft auf das mechanische Lenkungseinheit überträgt, gegenüberliegt. Der Magnetfeldsensor ist an dem feststehenden Teil des elektrischen Servomotors derart angeordnet, dass er zum mit dem Magneten versehenen Wellenende hin ausgerichtet und dem Magneten möglich unmittelbar benachbart angeordnet ist. Die Bestimmung der Winkellage der Welle des Rotors des Servomotors erfolgt bei Einsatz eines MR-Sensors über die direkte Messung der physikalischen Richtung des Magnetfeldes. Ein Beispiel für einen derartigen MR-Sensor ist in der
DE 100 17 061 A1 beschrieben.
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Nachteilig ist bei der Erfassung der Winkelstellung mittels Magnetfeldsensoren, insbesondere beim Einsatz von MR-Sensoren, dass sich der Gebermagnet und der Magnetfeldsensor direkt gegenüber liegen und möglichst nah zueinander angeordnet sein müssen. Dies führt bei vielen Anwendungen wie z.B. bei den zuvor beschriebenen elektrischen Servomotoren dazu, dass der Magnetfeldsensor auf der dem Gebermagneten zugewandten Seite einer Leiterplatte einer elektronischen Baugruppe des elektrischen Servomotors angeordnet wird, um diese unmittelbare Nähe zum Gebermagneten zu erreichen. Da die Spule des Servomotors und dessen Einhausung der dem Gebermagneten zugewandten Unterseite der Leiterplatte gegenüber liegen, müssen aus Platzgründen zahlreiche elektronische Elemente der Leiterplatte auf der dem Gebermagneten abgewandten Oberseite der Leiterplatte angeordnet werden. Dies führt dazu, dass üblicherweise Leiterplatten von elektrischen Servomotoren mit Magnetfeldsensoren beidseitig bestückt ausgeführt werden. Dies verursacht höhere Kosten als eine einseitige Bestückung, welcher jedoch der Platzbedarf der Motorelemente und die Anordnung von Magnet und Magnetfeldsensorentgegenstehen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile auszuräumen, insbesondere eine kostengünstige Anordnung für die Bestimmung der Winkellage des Rotors des elektrischen Servomotors bereitzustellen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch eine elektronische Baugruppe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6, durch einen elektrischen Servomotor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7, durch eine elektromechanische Lenkkraftunterstützungseinheit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche und Figuren zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Leiterplatte umfassend einen Leiterplattenkörper, auf welchem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der Magnetfeldsensor auf einer ersten Seite des Leiterplattenkörpers angeordnet und eingerichtet ist, ein Magnetfeld eines an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Leiterplattenkörpers angeordneten Magneten zu erfassen.
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Die Leiterplatte umfasst den Leiterplattenkörper, welcher vorzugsweise aus Hartpapier oder Epoxidharz besteht bzw. dieses aufweist, sowie die elektronischen Bauelemente, die z.B. durch Löten oder Kleben auf einer Seite (Oberfläche) des Leiterplattenkörpers befestigt und durch Leiterbahnen aus vorzugsweise Kupfer elektrisch leitfähig miteinander verbunden sein können. Die Leiterbahnen können sowohl auf einer oder mehreren Oberflächen als auch auf einer oder mehreren Ebenen innerhalb des Leiterplattenkörpers verlaufen. Zur Verbindung der Anschlusspunkte oder Anschlussbeine der elektronischen Bauelemente mit den Leiterbahnen auf der Oberfläche des Leiterplattenkörpers bzw. in Bohrungen des Leiterplattenkörpers kann Zinn als Lötmaterial verwendet werden. Auch sind mit Zinn ausgekleidete Durchbohrungen (Durchkontaktierungen) des Leiterplattenkörpers möglich, um Leiterbahnen auf den beiden Seiten des Leiterplattenkörpers bzw. im Inneren des Leiterplattenkörpers elektrisch leitfähig miteinander zu verbinden.
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Der Magnetfeldsensor stellt ein elektronisches Bauelement zur Erfassung eines Magnetfeldes und bzw. oder einer Magnetfeldänderung eines Magneten dar. Der Magnet ist nicht Bestandteil der Leiterplatte, d.h. nicht auf dem Leiterplattenkörper angeordnet und auch nicht mit diesem verbunden. Der Magnetfeldsensor ist erfindungsgemäß derart auf der einen Seite des Leiterplattenkörpers angeordnet, so dass er ein Magnetfeld bzw. eine Magnetfeldänderung eines Magneten auf der gegenüberliegenden Seite des Leiterplattenkörpers erfassen kann. Mit anderen Worten befindet sich der Leiterplattenkörper im Betrieb zwischen dem Magnetfeldsensor und dem zu erfassenden Magnet. Hierdurch kann auf eine Anordnung weiterer elektronischer Bauelemente auf der dem Magneten zugewandten Seite des Leiterplattenkörpers verzichtet werden. Auf diese Weise kann eine nur einseitige Anordnung von elektronischen Bauelementen auf dem Leiterplattenkörper erreicht werden, weil der Magnetfeldsensor auf der gleichen Seite des Leiterplattenkörpers angeordnet ist wie die übrigen elektronischen Bauelemente. Hierdurch können die Herstellungskosten der Leiterplatte reduziert werden. Als Magnetfeldsensoren können z.B. magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren verwendet werden. Der Magnet kann z.B. ein Permanentmagnet oder ein elektrischer Magnet sein.
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Vorzugsweise ist der Leiterplattenkörper im Bereich des Magnetfeldsensors ausgestaltet, einen Durchtritt eines Magnetfeldes im Wesentlichen unvermindert zu erlauben. Dies ist vorteilhaft, weil bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Magnetfeldsensors dieser durch den Leiterplattenkörper von dem zu erfassenden Magneten getrennt ist, so dass es durch den Leiterplattenkörper zu einer Abschirmung des Magneten und damit Beeinträchtigung der Funktion des Magnetfeldsensors kommen kann. Um diese Abschirmung zu vermeiden bzw. zu reduzieren, kann der Durchtritt des Magnetfeldes durch den Leiterplattenkörper beispielsweise durch eine Reduzierung oder sogar vollständige Vermeidung von Leiterbahnen in diesem Bereich verbessert bzw. erreicht werden. Auch kann das Material des Leiterplattenkörpers in diesem Bereich dünner ausgestaltet oder vollständig weggelassen werden, um das Magnetfeld möglichst wenig zu beeinflussen. Dies betrifft neben den beiden Oberflächen auch mögliche Zwischenschichten im Inneren des Leiterplattenkörpers. Durch diese weitgehende bzw. vollkommene Metallfreiheit des Leiterplattenkörpers in diesem Bereich wird die Erfassung des Magneten durch den Magnetfeldsensor trotz des dazwischenliegenden Leiterplattenkörpers verbessert bzw. ein der bisherig bekannten Anordnung ohne dazwischenliegenden Leiterplattenkörper vergleichbares Verhalten geschaffen.
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Vorzugsweise weist der Leiterplattenkörper im Bereich des Magnetfeldsensors einen reduzierten Metallgehalt, insbesondere kein Metall, auf. Zu diesem Zweck können die metallischen Leiterbahnen derart vorgesehen werden, dass der Bereich des Magnetfeldsensors beim Layout der Leiterplatte ausgespart wird oder zumindest möglichst wenig Leiterbahnen in diesem Bereich angeordnet werden.
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Vorzugsweise weist der Leiterplattenkörper im Bereich des Magnetfeldsensors eine Aussparung auf. Diese Aussparung ist vorzugsweise möglichst großflächig vorgesehen und dort im Leiterplattenkörper angeordnet, wo sich der Magnetfeldsensor und Magnet direkt gegenüber liegen, um möglichst vielen Magnetfeldlinien eine direkte und unmittelbare Erfassung durch den Magnetfeldsensor zu ermöglichen. Gleichzeitig ist die Aussparung vorzugsweise möglichst so dimensioniert und angeordnet, dass der Magnetfeldsensor sicher auf der Oberseite des Leiterplattenkörpers angeordnet und gehalten werden kann. Vorteilhafterweise wird durch die Materialfreiheit der Aussparung eine direkte und unmittelbare Erfassung des Magneten durch den Magnetfeldsensor erreicht, wie bei einer Anordnung des Magnetfeldsensors auf der dem Magneten zugewandten Unterseite des Leiterplattenkörpers. Hierdurch kann ein den bekannten Anordnungen vergleichbares Messverhalten des Magnetfeldsensors erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor ein magnetoresistiver Sensor. Diese Art der Magnetfelderfassung ermöglicht eine genaue und zuverlässige Erfassung des Magnetfeldes und damit z.B. eine genaue und zuverlässige Bestimmung des Drehwinkels eines Körpers, auf dem der Magnet angeordnet ist.
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Vorzugsweise können die Leiterbahnen (z.B. im sogenannten Ground-Layer der Leiterplatte (auch „Printed Circuit Board“, PCB)) so ausgeführt werden, dass dies der Abschirmung von Störfeldern (z.B. durch einen Elektromotor) dienen kann. Die Leiterbahnen können zur Verhinderung von Einstreuungen entweder außerhalb des Bereiches des Magnetfeldsensors oder alternativ innerhalb des Bereiches des Magnetfeldsensors angeordnet sein, wobei lediglich bestimmte Anteile des Magnetfeldes (bevorzugt nur die Störanteile) abgeschirmt werden. Die hierzu erforderliche Ermittlung von Dimensionen und Geometrien kann im Rahmen einer Magnetfeldanalyse im Betrieb erfolgen. Auch eine generelle Dämpfung eines Magnetfelddurchtrittes im Bereich des Magnetfeldsensors kann bei geeigneter Dimensionierung dazu führen, dass Nutzsignalanteile lediglich gedämpft, Störanteile jedoch (fast) vollständig unterdrückt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Amplituden des zu erwartenden Störanteils geringer sind als die Amplituden des Nutzsignals.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese auch eine elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte wie zuvor beschrieben. Auf diese Weise können die Herstellungskosten auch für eine elektronische Baugruppe reduziert werden, welche die erfindungsgemäße Leiterplatte umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese auch einen elektrischen Servomotor mit einer Welle zur Übertragung einer Rotationsbewegung auf eine mechanische Kraftübertragungseinheit, wobei die Welle einen Magneten und eine elektronische Baugruppe wie zuvor beschrieben, aufweist. In einem derartigen elektrischen Servomotor kann eine Erfassung eines Magneten auf dessen Abtriebswelle erfolgen, um die Kommutierung anzusteuern. Zu diesem Zweck kann die zuvor beschriebene elektronische Baugruppe verwendet und hierdurch die Kosten des elektrischen Servomotors reduziert werden.
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Vorzugsweise ist der Magnet ein Permanentmagnet. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Permanentmagnet sein Magnetfeld dauerhaft zur Verfügung stellt und keine elektrische Energieversorgung sowie Steuerung hierzu erforderlich ist. Dies macht den Einsatz eines Permanentmagneten einfach, verlässlich und kostengünstig,
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese auch eine elektromechanische Lenkkraftunterstützungseinheit mit einem elektrischen Servomotor wie zuvor beschrieben und einer mechanischen Kraftübertragungseinheit, die eingerichtet ist, eine Rotationsbewegung der Welle des elektrischen Servomotors auf eine Lenksäule und bzw. oder eine Lenkachse eines Fahrzeugs zu übertragen. Derartige Einheiten werden in Fahrzeugen eingesetzt, um dem Fahrer die Führung des Fahrzeugs zu erleichtern. Dabei kann die unterstützende Kraft bzw. das Moment des elektrischen Servomotors über die Lenksäule, an der der Fahrer die Lenkbewegung ausführt, oder auch die Lenkachse, über die die Lenkbewegung des Fahrers auf die zu lenkenden Fahrzeugräder übertragen wird, auf die Fahrzeugräder übertragen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese auch ein Fahrzeug mit einer elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit wie zuvor beschrieben und einer Lenksäule und bzw. oder einer Lenkachse.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug mit einer elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit;
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2 eine perspektivische Ansicht einer elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit mit einem elektrischen Servomotor;
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3 eine perspektivische Schnittansicht durch einen elektrischen Servomotor mit einer elektronischen Baugruppe;
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4 eine schematische seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte einer elektronischen Baugruppe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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5 eine schematische seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte einer elektronischen Baugruppe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Fahrzeug 1 mit einer elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit 2. Das Fahrzeug 1 weist ein Lenkrad 10 auf, welches über eine Lenksäule 11 mit einer lenkbaren Vorderachse 12 des Fahrzeugs 1 verbunden ist, um eine Lenkbewegung eines Fahrers am Lenkrad 10 auf zwei Vorderräder 13a, 13b des Fahrzeugs 1 zu übertragen. Das Fahrzeug 1 weist ferner zwei Hinterräder 15a, 15b auf, die über eine starre Hinterachse 14 verbunden sind und nicht gelenkt werden können. Zur Unterstützung des Fahrers bei der Führung des Fahrzeugs 1 ist die elektromechanische Lenkkraftunterstützungseinheit 2 vorgesehen, die auf die Lenksäule 11 wirken kann.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektromechanischen Lenkkraftunterstützungseinheit 2 mit einem elektrischen Servomotor 21. 3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht durch einen elektrischen Servomotor 21 mit einer elektronischen Baugruppe 24. 4 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte 25 einer elektronischen Baugruppe 24 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Um die Lenksäule 11 (vgl. 1) herum angeordnet ist eine mechanische Kraftübertragungseinheit 20 vorgesehen, deren Längsachse mit der Längsachse L der Lenksäule 11 zusammenfällt. Auf die mechanische Kraftübertragungseinheit 20 wirkt eine Drehbewegung eines elektrischen Servomotors 21 über dessen Welle 22 (siehe 3), dessen Rotationsachse R senkrecht zur Längsachse L der Lenksäule 11 orientiert ist.
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An dem der mechanischen Kraftübertragungseinheit 20 abgewandten Ende der Welle 22 ist ein Magnet in Form eines Permanentmagneten 23 vorgesehen (vgl. 3 bis 5). Der mechanischen Kraftübertragungseinheit 20 abgewandt weist der elektrische Servomotor 21 eine elektronische Baugruppe 24 auf. Die elektronische Baugruppe 24 weist eine Leiterplatte 25 mit einem Leiterplattenkörper 26 mit einer der Welle 22 abgewandten ersten Seite als Oberseite 27 und einer der Welle 22 zugewandten zweiten Seite als Unterseite 28 auf (vgl. 4). Auf der Oberseite 27 des Leiterplattenkörpers 26 ist ein Magnetfeldsensor in Form eines magnetoresistiven Sensors (MR-Sensor) 29 derart angeordnet, dass der MR-Sensor 29 zu dem Permanentmagneten 23 hin ausgerichtet ist und über die Erfassung des Magnetfeldes des Permanentmagneten 23 bzw. dessen Änderungen durch den MR-Sensor 29 die Winkelstellung der Welle 22 um dessen Rotationsachse R durch den MR-Sensor 29 selbst oder die elektronische Baugruppe 24 bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise weisen die Oberseite 27 und Unterseite 28 des Leiterplattenkörpers 26 in dem Bereich B, in dem sich der Permanentmagnet 23 und der MR-Sensor 29 gegenüberliegen, keine metallischen Elemente wie z.B. Leiterbahnen auf. Auf diese Weise kann das Magnetfeld des Permanentmagneten 23 von dem MR-Sensor 29 weitestgehend frei von Störungen bzw. Abschirmungen durch den Leiterplattenkörper 26 hindurch erfasst werden, so dass eine Funktion dieses Messprinzip bei gleichzeitiger einseitiger Bestückung der Leiterplatte 25 ermöglicht wird. Hierdurch können die Herstellungskosten bei der Leiterplatte 25 reduziert werden.
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5 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte 25 einer elektronischen Baugruppe 24 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Fall weist der Leiterplattenkörper 26 im Bereich B, in dem sich der Permanentmagnet 23 und der MR-Sensor 29 gegenüberliegen, eine Aussparung 30 in Form eines Durchbruchs durch das Material des Leiterplattenkörpers 26 auf. Hierdurch wird eine weitestgehend materialfreie und direkte Erfassung des Permanentmagneten 23 durch den MR-Sensor 29 ermöglicht.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsbeispiele anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 10
- Lenkrad
- 11
- Lenksäule
- 12
- lenkbare Vorderachse
- 13a, 13b
- Vorderräder
- 14
- Hinterachse
- 15a, 15b
- Hinterräder
- 2
- elektromechanische Lenkkraftunterstützungseinheit
- 20
- mechanische Kraftübertragungseinheit
- 21
- elektrischer Servomotor
- 22
- Welle des elektrischen Servomotors 21
- 23
- Magnet bzw. Permanentmagnet
- 24
- Elektronische Baugruppe
- 25
- Leiterplatte
- 26
- Leiterplattenkörper
- 27
- erste Seite bzw. Oberseite des Leiterplattenkörpers 26
- 28
- zweite Seite bzw. Unterseite des Leiterplattenkörpers 26
- 29
- Magnetfeldsensor, magnetoresistiver Sensor (MR-Sensor)
- 30
- Aussparung des Leiterplattenkörpers 26
- B
- metallreduzierter bzw. metallfreier Bereich des Leiterplattenkörpers 26
- L
- Längsachse der Lenksäule 11
- R
- Rotationsachse der Welle 22 des elektrischen Servomotors 21
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061696 A1 [0002]
- DE 10017061 A1 [0003]
