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Die Erfindung betrifft einen Positionssensor und ein entsprechendes Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die Sensorstrukturen für induktive Sensoren (Statoren) aus dem Stand der Technik werden häufig als Leiterbahnen in Form von gedruckten und geätzen Schaltungen, insbesondere als Leiterplatten, hergestellt. Dabei können durch geeignete Wahl von Dicke, Länge und Leiterbahnbreiten die elektrischen Parameter, wie Leitfähigkeit oder Widerstand eingestellt werden. Induktiven Eigenschaften werden durch die geometrische Ausgestaltung realisiert. So finden bspw. kreisförmige oder auch mäanderförmige Strukturen häufig Verwendung.
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Weiterhin wird die Leiterplatte auch als Träger für die Ansteuer- und Auswerteelektronik genutzt. Hier wird der Vorteil genutzt, dass alle bewährten Prozesse zur Herstellung (z.B. Reflowlöten) von Leiterplatten sowie deren Weiterentwicklung genutzt werden können. Ein weiterer Vorteil von Leiterplatten besteht in dem großen Markt an Anbietern und den aktuellen Technologietrends, wie bessere Genauigkeit oder Hochtemperaturbeständigkeit, die für die induktive Sensorik genutzt werden können.
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Nachteilig ist bei der Limitierung auf Leiterplattentechnologie der fertigungstechnisch bedingte Lagenversatz der verschiedenen Ebenen in der Leiterkarte für die Ausformung eines Sensorelementes nachteilig, da eine präzise geometrische Wickelweise der für eine Sensorik notwendigen planaren Spulen hierdurch eingeschränkt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und auf die Leiterplattentechnologie zumindesten für eine Ausbildung der Sensorstrukturen zu verzichten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Patentanspruchs 1 ein Positionssensor vorgesehen, wobei der Positionssensor eine Trägerplatte und mindestens eine Sensorspule aufweist, wobei die Sensorspule mindestens einen Metalldraht als elektrisch leitfähige Komponente aufweist, und wobei die Trägerplatte aus thermoplastischem Kunststoff ist.
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Thermoplaste (auch Plastomere genannt), sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die sogenannte themische Zersetzung des Materials einsetzt. Darin unterscheiden sich Thermoplaste von den Duroplasten und Elastomeren. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die Schweißbarkeit von Thermoplasten.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Positionssensors auf die aus dem Stand der Technik bekannte Leiterplattentechnologie verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise ist der Kunststoff mittels Kalt-, Warm- oder Heißextrusion herstellbar. Bei der Kaltextrusion wird mit niedrigen Drücken, Temperaturen und Scherkräften, bei der Warmextrusion mit höheren Temperaturen und bei der Heißextrusion sowohl mit hohen Drücken und Temperaturen gearbeitet.
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Bevorzugt ist der Kunststoff ein schmelzender Kunststoff. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein niederigschmelzender Kunstststoff.
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Besonders bevorzugt ist der Kunststoff ein gespritzter Kunststoff, vorzugsweise ein thermoplastisch oder duroplastisch gespritzter Kunststoff.
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Besonders bevorzugt weist der Kunststoff als Trägermaterial eine Kunststoffmatrix auf.
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Bevorzugt ist der Positionssensor ein Sensor, der ein Ausgangssignal liefert, das nach Auswertung Rückschlüsse auf die Position eines Gegenstandes zulässt. Dabei wird zwischen induktiven, kapazitiven, resistiven, optischen und Ultraschall-Sensoren unterschieden.
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Vorzugsweise weist der Positionssensor mindestens eine induktive Spule (Sensorspule) mit den erforderlichen Induktivitäten und Widerständen auf. Besonders bevorzugt ist der Positionssensor CIPOS®.
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CIPOS® (Contactless Inductive Position Sensor) nutzt ein berührungsloses, induktives Verfahren, das besonders messgenau, verschleiß- und störfest ist. Vorzugsweise ist die Technologie im Bereich der Drehwinkelsensoren oder der Linearsensorik einsetzbar (bspw. Fahrpedale, Drosselklappen, Servolenkung, Getriebegangerkennung und Steuerung, Aktuatoren für Abgasrückführung, Turbolader Verstellung, Farzeugniveasensoren, Schwenkmodule und Lichtwalzensteuerung in Scheinwerfern, etc.).
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Bevorzugt wird ein elektrisches Ausgangssignal bei automotiven Positionssensoren mit dem kontaktlosen CIPOS®-Messprinzip gewonnen. Es können dabei sowohl unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt werden als auch individuelle Kennlinienverläufe programmiert werden. Die automotiven Positionssensoren zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit und durch eine hohe Störfestigkeit gegen elektrische und magnetische Felder aus.
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Vorzugsweise bildet wenigstens eine elektrisch leitfähige Komponente eine Sensorspule des Positionssensors aus.
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Die elektrisch leitfähige Komponente besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Drähten, die wie im Folgenden beschrieben, auf der Trägerplatte aufgebracht werden.
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Bevorzugt ist der Metalldraht aus Kupfer, Aluminium, Nickel oder aus weiteren Metallen oder deren Legierungen.
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Bevorzugt sind die Metalldrähte in verschiedenen Drahtstärken, bevorzugt im Bereich von 0,01 mm bis 0,5 mm, verfügbar.
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Besonders bevorzugt ist die leitfähige Komponente aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialien herstellbar.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die elektrisch leitfähige Komponente mindestens eine elektrische Isolierschicht auf.
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Bevorzugt ummantelt eine erste elektrische Isolierschicht die elektrisch leitfähige Komponente. Besonders bevorzugt ist eine weitere Isolierschicht vorgesehen, vorzugsweise eine Backlackschicht, die die erste elektrische Isolierschicht ummantelt.
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Bevorzugt ist die Backlackschicht aus Kunststoff. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein niedrigschmelzender Kunststoff.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Positionssensor ein induktiver Sensor.
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Damit basiert das Messprinzip des Positionssensors auf einem induktiven Messprinzip.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Trägerplatte mindestens zwei sich überlappende elektrisch leitfähige Komponenten auf.
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Dabei können überlappende Strukturen durch Vertiefung hinter der eigentlichen Kreuzungstelle mechanisch entlastet werden. Hierdurch kann erreicht werden das bei engen Stellen eine maximale Anhaftstrecke des Metalldrahtes an der Trägerplatte erreicht werden kann.
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Bevorzugt steht dabei die sensorische Funktion im Vordergrund, z.B. zur Realisierung eines Positionssensors der auch beispielsweise eine 3-dimensionale Sensoraufgabe detektieren kann, als auch die elektrische Verbindung z.B. zwischen Stecker und Positionssensor oder Elektronik über größere Bereiche, vorzugsweise mehrere Dezimeter.
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Hierdruch ergeben sich erhebliche finanzielle Vorteile, weil auf die sonst nötige flexible Leiterplatte verzichtet werden kann.
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Auf die gleiche Art und Weise lassen sich gegebenfalls andere elektrische Verbindungen wie zum Beispiel Verbindungen zwischen Motor und Elektronik oder Ähnliches im Deckel kostengünstig realisieren. Dabei kann ggfs. um eine ausreichende Stromtragfähigkeit zu erzielen der Metalldraht doppelt oder mehrfach gelegt werden.
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Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Komponente direkt in einen Deckel einbringbar. Damit lassen sich Kosten einsparen.
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Vorzugsweise lassen sich auch bei höheren Temperaturen Kosten einsparen, da auf ein Leiterplattenmaterial, das für hohe Betriebstemperaturen geeignet ist und relativ teuer ist, verzichtet werden kann.
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Ferner kann optional auf eine Sensorauswerteelektronik auf dem Leiterplattenträger verzichtet werden, was zu einer zusätzlichen Kostenreduzierung führt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente in die Trägerplatte mittels eines Aufschmelzvorganges
- a) mindestens einer Isolierschicht der elektrisch leitfähigen Komponente und/oder
- b) der Trägerplatte ausführbar.
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Auf diese Weise ist es möglich entweder mindestens eine der Isolierschichten aufzuschmelzen um die elektrisch leitfähige Komponente in die Trägerplatte einzubringen, die Trägerplatte aufzuschmelzen oder beide Komponenten, d.h. mindestens eine der Isolierschichten der elektrisch leitfähigen Komponente und die Trägerplatte, gleichzeitig aufzuschmelzen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Aufschmelzvorgang mittels Ultraschalls realisierbar.
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Bevorzugt wird bei dem Aufschmelzvorgang eine Ultraschall-Frequenz von ca. 20 bis 50 kHz erzeugt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Ultraschall mittels einer als Führungsmittel ausgebildeten Ultraschallsonotrode erzeugbar.
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Bevorzugt ist das Führungsmittel ein Führungsröhrchen, durch welches die elektrisch leitfähige Komponente oder die elektrisch leitfähige Komponente mit den entsprechenden Beschichtungen geführt wird.
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Auf diese Weise ist es möglich, die elektrisch leitfähige Komponente direkt aus Kupfer-, Aluminium oder Edelstahldraht herzustellen und dadurch auf die Leiterplatte weitgehend oder vollständig zu verzichten.
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Bevorzugt wird mindestens ein Kupferdraht in die Kunststoffmatrix des Trägermaterials (Gehäusewandung) eingebracht.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente in die Trägerplatte mittels Heißluft oder mittels Strahlung realisierbar oder eine Vorheizung der Trägerplatte realisierbar.
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Hierdurch kann die per Ultraschallprozess einzubringende Energie reduziert werden, was bei bestimmten Materialskombinationen Grundträger – beschichteter Metalldraht sinnvoll sein kann.
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Ferner ist zur Lösung dieser Aufgabe gemäß Patentanspruch 9 ein Verfahren zur Herstellung eines Positionssensor aufweisend eine Trägerplatte und mindestens eine Sensorspule, wobei die Sensorspule mindestens einen Metalldraht als elektrisch leitfähige Komponente aufweist vorgesehen, die folgenden Schritte aufweisend:
- – Führen der elektrisch leitfähigen Komponente durch ein Führungsmittel, wobei das Führungsmittel mittels Ultraschall in Vibration versetzt wird,
- – Übertragen der Vibration auf die elektrisch leitfähige Komponente,
- – Umsetzen der Vibration in Reibung relativ zur Trägerplatte,
- – Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente in die Trägerplatte mittels
a) eines lokalen Aufschmelzens der Trägerplatte und/oder
b) eines lokalen Aufschmelzens mindestens einer Isolierschicht der elektrisch leitfähigen Komponente.
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Die für das Aufschmelzen erforderliche Energie wird mittels des Ultraschalls erzeugt. Dabei soll die elektrisch leitfähige Komponente vorzugsweise kontinuierlich durch das Führungsmittel, bevorzugt dem Röhrchen, geschoben werden.
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Bevorzugt wird das Führungsmittel infolge des Ultraschalls in Vibration versetzt. Dadurch wird die Ultraschall-Energie auf die elektrisch leitfähige Komponente übertragen. Diese Schwingung wird in Reibung relativ zur Trägerplatte umgesetzt. Aufgrund dieser Energie ist auch der Kunststoff der Trägerplatte lokal aufschmelzbar.
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Nach einer Weiterbildung der Erfiindung weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:
- – Erstarren der Trägerplatte nach dem Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente, und
- – Fixieren der elektrisch leitfähigen Komponente in der Trägerplatte.
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Bevorzugt wird die elektrisch leitfähige Komponente permanent nachgeführt, so dass auch das Führungsmittel weiter bewegt wird, wobei der aufgeschmolzene Kunststoff zusammen mit der elektrisch leitfähigen Komponente wieder erstarren kann.
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Auf diese Weise ist ein formschlüssiges Fixieren der elektrisch leitfähigen Komponente in der Trägerplatte erreichbar.
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Bevorzugt sind mit einem Einschmelzen in die Kunststoffmatrix, einem Aufschmelzen der Backlackschicht sowie einer Höhensteuerung des Führungsmittels auch übereinander anordbare elektrisch leitfähige Komponente möglich.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich damit auch komplexere Strukturen, wie sie für induktive Sensoren erforderlich sind, realisieren.
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Bevorzugt sind neben den induktiven Positionssensoren auch reine elektrische Verbindungen ausführbar. So lassen sich lange bisher anschlussspezifischen Stanzgitter durch einfache kurze gleiche Stanzgitter ersetzten. Hierdurch ensteht ein weiterer Kostenvorteil.
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Vorzugsweise lassen sich die elektrisch leitfähigen Komponenten (Metalldrähte) sehr eng nebeneinander und übereinander verlegen. Die induktive Wirkung ist hiermit besser und es ergeben sich stärkere elektromagnetische Felder, was wiederum eine sensorische Kenngröße positiv beeinflusst.
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Bevorzugt stehen für einen Einsatz von Metalldrähte geeignete Kontaktierungen zur Verfügung.
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Der verlegte Draht muss noch an elektrische oder elektronische Bauteile oder an Stanzgitter elektrisch kontaktiert werden. Das hierfür bisher gewählte Verfahren ist ein selektives Lötverfahren (Kolbenlöten), welches eine für Elektroniklöten hohe Löttemperatur aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Isolierschicht sowie der Backlack sich thermisch zersetzen. Der freiliegende Draht, der vorzugsweise aus Kupfer ist, kann sich mit dem Lot und damit mit dem Bauteil verbinden.
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Alternativ wird vorgeschlagen eine definierte Menge von flüssigem Lot mit definierter Temperatur in die Verbindungsstelle einzubringen. Durch die definierte Wärmemenge ist ein Zersetzten der Drahtbeschichtung erreichbar sowie eine ausreichende Menge Lot bereitstellbar.
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Alternativ kann auch der Backlack sowie die Isolierlackschicht mechanisch entfernt werden und dann konventionell mittels eines Kolbens mit üblichen Temperaturen gelötet werden. Wichtig hierbei sind kurze Zeitspannen zwischen abisolieren und löten, sodass eine zwischenzeitige, zu starke Oxidation vermieden wird.
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Alternativ kann nach dem beschriebenen Herstellprozess der gesamte Aufbau zum Beispiel durch eine Lackschicht oder einen dünnen Verguss isoliert werden. Hierdurch kann auch ein Schutz der Verbindungsstellen gegen Betauen, ein zusätzlicher mechanischer Schutz gegen Berührung sowie ein ESD-Schutz erzeugt werden. Außerdem wird die geometrische Struktur der Drähte so zusätzlich mechanisch gesichert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäße Positionssensors und
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2 eine schematische Darstellung von mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Sensorspulen eines Positionssensors.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Positionssensores dargestellt.
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Der Positionssensor 1 weist eine Trägerplatte 2 und mindestens eine elektrisch leitfähige Komponente 4 auf. Die Trägerplatte 2 besteht aus einem Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmaterial ist ein niedrigschmelzendes Material.
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Die elektrisch leitfähige Komponente 4 ist ein Metalldraht, der vorzugsweise aus Kupfer ist.
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Die elektrisch leitfähige Komponente 4 weist eine erste elektrische Isolierschicht 5 auf, die die elektrisch leitfähige Komponente 4 ummantelt. Die elektrisch leitfähige Komponente 4 weist ferner eine weitere elektrische Isolierschicht, nämlich eine Backlackschicht 6 auf, die die erste elektrische Isolierschicht 5 ummantelt.
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Die Backlackschicht besteht aus einem Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmaterial ist ein niedrigschmelzendes Material.
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Ferner ist ein Führungsmittel 7, nämlich eine Ultraschallsonotrode vorgesehen, die eingerichtet ist, mittels Ultraschall, einen Schmelzvorgang zu erzeugen, um die elektrisch leitfähige Komponente 4 in die Trägerplatte 2 einzubringen.
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Zunächst wird die elektrisch leitfähige Komponente 4 durch die Ultraschallsonotrode 7 mittels Ultraschall in Vibration versetzt, wobei ein Übertragen der Vibration auf die elektrisch leitfähige Komponente 4 erfolgt. Dabei findet ein Umsetzen der Vibration in Reibung relativ zur Trägerplatte 2 statt.
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Es folgt ein Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente 4 in die Trägerplatte 2, wobei ein lokales Aufschmelzen der Trägerplatte 2 und ein lokales Aufschmelzen einer Backlackschicht 6 der Sensorstruktur 3 erfolgt.
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Nach dem Einbringen der elektrisch leitfähigen Komponente 4 kommt es zu einem Erstarren der Trägerplatte 2. Dabei kommt es zu einem Fixieren der elektrisch leitfähigen Komponente 4 in der Trägerplatte 2.
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2 eine schematische Darstellung von mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Sensorspulen eines Positionssensors.
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Eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Komponenten 4, die mit der Trägerplatte 2 verschmolzen sind, bilden den Postionssensor 1 beispielhaft aus.
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Die elektrisch leitfähigen Komponenten 4 sind dabei symmetrisch in der Trägerplatte 2 angeordnet. Die elektrisch leitfähigen Komponenten 4 bilden dabei die Sensorspulen 3 des Positionssensors 1 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionssensor
- 2
- Trägerplatte
- 3
- Sensorspule
- 4
- elektrisch leitfähig Komponente (Metalldraht)
- 5
- Isolierschicht
- 6
- Backlackschicht
- 7
- Führungsmittel (Ultraschallsonotrode)
