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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem ersten Lagerring, einem relativ zu dem ersten Lagerring wälzgelagerten zweiten Lagerring sowie einer Drehwinkelerfassungseinrichtung (d. h. einer Einrichtung zum Erfassen einer Drehwinkelposition und/oder einer Drehwinkeländerung / Drehzahl), wobei die Drehwinkelerfassungseinrichtung eine an dem ersten Lagerring befestigte Sensoreinheit und ein mit dem zweiten Lagerring drehfest verbundenes, durch die Sensoreinheit detektierbares Geberteil aufweist.
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Gattungsgemäße Lageranordnungen sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die
WO 2020/015785 A1 eine Lageranordnung mit einer Sensoreinheit. Die Sensoreinheit weist auf typische Weise eine Platine eingebettet in einem Kunststoffverguß auf.
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Weiterer Stand der Technik ist mit der
WO 2020/015772 A1 und der
WO 2019/063095 A1 bekannt.
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Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen besteht durch Verwendung der die unterschiedlichen Elektronikkomponenten aufnehmenden Platinen eine gewisse Einschränkung in der räumlichen Ausgestaltung der Sensoreinheiten. Denn durch diese Platinen sind nur unter einem relativ hohen Herstellaufwand räumlich dreidimensional verlaufende Strukturen realisierbar. Des Weiteren nehmen diese Platinen relativ viel Bauraum in Anspruch. Auch eine Aufnahme der Platine ist relativ aufwändig.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lageranordnung mit integrierter Sensoreinheit zur Verfügung zu stellen, deren Bauteilanzahl und Herstellung möglichst einfach gehalten und die räumlich kompakt sowie flexibel ausbildbar ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine Elektronikkomponente der Sensoreinheit, weiter bevorzugt jegliche Elektronikkomponenten der Sensoreinheit, unmittelbar auf einem an dem ersten Lagerring befestigten Kunststoffträger aufgebracht / befestigt sind.
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Durch diese Integration der Bestandteile der Sensoreinheit in den Kunststoffträger kann eine zusätzliche Platine wegfallen. Folglich ist die räumliche Ausbildung der Sensoreinheit nicht mehr von der Sensorplatine abhängig. Dies ermöglicht eine flexible und bauraumsparende Ausbildung der Sensoreinheit in der Lageranordnung.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die zumindest eine Elektronikkomponente mittels eines Spritzgußverfahrens des Kunststoffträgers unmittelbar an / auf dem Kunststoffträger befestigt ist. Weiter bevorzugt ist der Kunststoffträger zusammen mit der zumindest einen Elektronikkomponente / Sensoreinheit als ein 3D-MID-Bauteil (MID steht für „Molded Interconnected Device“ / spritzgegossener Schaltungsträger) ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine effiziente Herstellung der Sensoreinheit.
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Ist der erste Lagerring ein Lageraußenring und der zweite Lagerring ein radial innerhalb des Lageraußenrings angeordneter Lagerinnenring, ist die Sensoreinheit bauraumsparend in einem Radiallager eingesetzt.
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Der erste Lagerring ist weiter bevorzugt gehäusefest aufgenommen, wodurch die Sensoreinheit möglichst effektiv arbeitet.
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Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der Kunststoffträger ringförmig verläuft und die zumindest eine Elektronikkomponente auf einer gekrümmten Radialseite, vorzugsweise einer radialen Innenseite, des Kunststoffträgers aufgebracht ist. Alternativ hierzu ist es jedoch auch vorteilhaft, wenn die zumindest eine Elektronikkomponente auf einer axialen Stirnseite des ringförmigen Kunststoffträgers aufgebracht ist. Dadurch ergibt sich eine platzsparende sowie flexible Ausbildung der Sensoreinheit.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoffträger radial außerhalb sowie axial überdeckend zu mehreren zwischen den Lagerringen eingesetzten Wälzkörpern angeordnet ist. Dadurch wird die Lageranordnung in axialer Richtung noch kompakter ausgeführt.
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Für eine bauraumsparende Unterbringung der Sensoreinheit ist es zudem von Vorteil, wenn sowohl die Sensoreinheit als auch ein Erfassungsbereich des Geberteils in einem axial einseitig geöffneten Aufnahmeraum des ersten Lagerrings angeordnet sind.
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Das Geberteil weist dann weiter bevorzugt einen radial innerhalb des Erfassungsbereichs anschließenden Scheibenbereich auf, welcher Scheibenbereich sich zu einer axialen Seite hin an dem ersten Lagerring in radialer Richtung nach innen vorbeierstreckt. Dadurch ist das Geberteil ebenfalls möglichst bauraumsparend ausgebildet und angeordnet.
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Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der Scheibenbereich axial bündig mit einer Stirnseite des zweiten Lagerrings ausgeführt ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Scheibenbereich unmittelbar an der axialen Stirnseite des zweiten Lagerrings festzulegen. In jedem Fall ergibt sich eine axial kompakte Lageranordnung.
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Weist die Sensoreinheit eine Induktionsspule auf, wobei die Induktionsspule über den gesamten Umfang des Kunststoffträgers umläuft, ist eine effizient arbeitende induktive Sensoreinheit realisiert.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der Kunststoffträger mittels einer Vergussummantelung oder alternativ über axial vorspringende Haltenasen (des ersten Lagerrings oder des Kunststoffträgers) an dem ersten Lagerring angebracht ist. Dadurch wird die Sensoreinheit direkt an dem ersten Lagerring aufgenommen.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Detailansicht eines Halbschnittes der Lageranordnung nach 1, wobei die verschiedenen Bestandteile einer Drehwinkelerfassungseinrichtung näher zu erkennen sind,
- 3 eine perspektivische, teilweise explodierte Darstellung der erfindungsgemäßen Lageranordnung, wobei ein Geberteil sowie eine Sensoreinheit der Drehwinkelerfassungseinrichtung noch nicht in einem ersten Lagerring der Lageranordnung montiert sind,
- 4 eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Lageranordnung,
- 5 eine perspektivische Darstellung des in den 1 bis 4 verwendeten ersten Lagerrings,
- 6 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen, vereinfacht dargestellten Lageranordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Sensoreinheit nun an einer axialen Stirnseite eines Kunststoffträgers angebracht ist,
- 7 eine Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lageranordnung nach 6, sowie
- 8 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Sensoreinheit.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit den 1 bis 5 ist zunächst ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 dargestellt. Die Lageranordnung 1 ist als ein so genanntes Wälzlager realisiert und im Betrieb zwischen einer rotierenden Welle und einem Gehäuse, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt sind, wirkend eingesetzt. Besonders bevorzugt ist diese Lageranordnung 1 in Hybridgetrieben, E-Achsen, sonstigen Kupplungsanordnungen, etc. eingesetzt werden.
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Die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben sind in Bezug auf eine Längsachse 23 der Lageranordnung 1 zu sehen. Demnach entspricht axial / die axiale Richtung einer Richtung entlang der Längsachse 23, radial / die radiale Richtung einer Richtung senkrecht zur Längsachse 23 und Umfangsrichtung einer Richtung entlang einer koaxial zur Längsachse 23 verlaufenden Kreislinie.
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Die Lageranordnung 1 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel als ein Radiallager ausgebildet und weist folglich einen ersten Lagerring 2 in Form eines Lageraußenrings sowie einen radial innerhalb des ersten Lagerrings 2 angeordneten (somit als Lagerinnenring realisierten) zweiten Lagerring 3 auf. Die beiden Lagerringe 2, 3 sind auf übliche Weise relativ zueinander über mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Wälzkörper 10 verdrehbar zueinander gelagert / wälzgelagert.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Lageranordnung 1 in weiteren Ausführungen als ein so genannter Freilauf ausgebildet ist, wobei lediglich in einer ersten relativen Drehrichtung der beiden Lagerringe 2, 3 eine Relativverdrehung der beiden Lagerringe 2, 3 der freigegeben ist, wohingegen in einer, der ersten relativen Drehrichtung entgegengesetzten, zweiten relativen Drehrichtung die Lagerringe 2, 3 zueinander drehfest abgestützt sind.
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Des Weiteren weist die Lageranordnung 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 auf. Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 ist als eine induktive Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 realisiert. Die Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 weist einerseits eine Sensoreinheit 5 und andererseits ein relativ zu der Sensoreinheit 5 verdrehbar angeordnetes Geberteil 6 auf. Das Geberteil 6, wie bspw. in 3 gut zu erkennen, ist als Geberrad realisiert und weist mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, durch die Sensoreinheit 5 detektierbare Messsegmente 16 auf, um im Betrieb eine Drehwinkelposition sowie eine Drehzahl / Drehwinkeländerung des Geberteils 6 zu erfassen / detektieren. Die Sensoreinheit 5 bildet folglich einen Induktionssensor aus.
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Die Sensoreinheit 5 ist mit dem im Betrieb gehäusefest angeordneten ersten Lagerring 2 verbunden, wohingegen das Geberteil 6 drehfest mit dem zweiten Lagerring 3 verbunden ist. Dadurch ist im Betrieb eine Drehwinkelposition des zweiten Lagerrings 3 gegenüber einem Gehäuse detektierbar.
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Die Sensoreinheit 5 weist des Weiteren einen in 3 vereinfacht dargestellten Kunststoffträger 8 auf, der mehrere Elektronikkomponenten 7 aufweist. In diesem Zusammenhang sei auch auf die 8 verwiesen, die einen schematischen Aufbau dieser Sensoreinheit 5 zeigt. Erfindungsgemäß sind die Elektronikkomponenten 7 in einem Urformvorgang des Kunststoffträgers 8 unmittelbar auf dem Kunststoffträger 8, der gemäß den 1 bis 5 als Kunststoffring ausgeführt ist, aufgebracht. Der Kunststoffträger 8 ist zusammen mit den Elektronikkomponenten 7 als 3D-MID-Bauteil umgesetzt.
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Mit 8 ist zudem die Ausbildung der unterschiedlichen Elektronikkomponenten 7 ersichtlich. Demnach ist eine eine erste Elektronikkomponente 7 ausbildende Induktionsspule 15 der Sensoreinheit 5 unmittelbar auf dem Kunststoffträger 8 angebracht. Diese Induktionsspule 15 bildet unmittelbar die Sensoreinheit 5 mit aus und ist elektronisch mit mehreren Elektronikbauteilen 17, die mehrere zweite Elektronikkomponenten 7 darstellen, verbunden. Auch die Elektronikbauteile 17 sind unmittelbar auf dem Kunststoffträger 8 angebracht und bilden beispielsweise Chips aus. Die Induktionsspule 15 und die Elektronikbauteile 17 sind über verschiedene, dritte Elektronikkomponenten 7 ausbildende elektrische Leiter 18 weiter verbunden. Die Leiter 18 führen zu einem Verbindungsbereich 19, der mit entsprechenden elektrischen Kabeln zur Daten- und Energieübermittlung weiter verbunden ist.
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Zurückkommend auf die 1 bis 5 ist des Weiteren zu angedeutet, dass diese Elektronikkomponenten 7 auf einer radialen Innenseite 9 des Kunststoffträgers 8 angeordnet sind. Die radiale Innenseite 9 des Kunststoffträgers 8 ist jene Radialseite, die einem die Messsegmente 16 aufweisenden Erfassungsbereich 11 des Geberteils 6 am Nächsten liegt / zugewandt ist.
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Der Kunststoffträger 8 ist in dieser Ausführung mittels mehrerer, hier der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellter Haltenasen an dem ersten Lagerring 2 befestigt. In weiteren Ausführungen ist es alternativ auch möglich, den Kunststoffträger 8 mittels einer Vergussummantelung unmittelbar an dem ersten Lagerring 2 mit anzugießen.
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Hinsichtlich des Geberteils 6 ist in 2 gut zu erkennen, dass dieses an einem axialen Ende seines axial verlaufenden Erfassungsbereiches 11 in einen radial verlaufenden Scheibenbereich 13 übergeht. Der Scheibenbereich 13 erstreckt sich von dem Erfassungsbereich 11 aus in radialer Richtung nach innen zu dem zweiten Lagerring 3 hin. Dabei erstreckt sich der Scheibenbereich 13 axial beabstandet zu einer axialen Seite 14 des ersten Lagerrings 2 in radialer Richtung nach innen und ist dort mit dem zweiten Lagerring 3 verbunden.
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Dabei ist auch zu erkennen, dass der erste Lagerring 2 eine geringere axiale Erstreckung aufweist als der zweite Lagerring 3. Der Scheibenbereich 13 schließt axial bündig mit einer axialen Stirnseite 20 des zweiten Lagerrings 3 ab. Hierfür ist der Scheibenbereich 13 / das Geberteil 6 auf einer Schulter 21 des zweiten Lagerrings 3 aufgesetzt und an dieser fixiert. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es auch von Vorteil, wenn der Scheibenbereich 13 direkt an der axialen Stirnseite 20 des zweiten Lagerrings 3 befestigt ist.
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Die Sensoreinheit 5 ist des Weiteren mit ihrem Kunststoffträger 8 und mit dem Erfassungsbereich 11 des Geberteils 6 in einem axial einseitig geöffneten Aufnahmeraum 12 des ersten Lagerrings 2 angeordnet. Der Aufnahmeraum 12 ist unmittelbar radial außerhalb einer die Wälzkörper 10 aufnehmenden Laufbahn 22 des ersten Lagerrings 2 angeordnet.
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Mit den 6 und 7 ist schließlich ein weiteres, zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 schematisch dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Aufbau und in Funktion im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, weswegen der Kürze wegen lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
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Alternativ zu der radial geschachtelten Anordnung zwischen den Lagerringen 2, 3 mit den Wälzkörpern 10 und der Drehwinkelerfassungseinrichtung 4 ist es auch zweckmäßig, die Drehwinkelerfassungseinrichtung axial neben den Wälzkörpern 10 anzuordnen. Dadurch ergibt sich, je nach Anwendungsbereich, eine radial kompaktere Ausbildung der Lageranordnung 1. Mit 7 ist ein schematischer Längsschnitt der Lageranordnung 1 dargestellt, wobei das Geberteil 6 im Wesentlichen scheibenförmig ist. Das Geberteil 6 befindet sich bspw. axial zwischen den Wälzkörpern 10 und dem Kunststoffträger 8 der Sensoreinheit. Auch ist die jeweilige Elektronikkomponente 7 nun zu einer axialen Stirnfläche 24 des Kunststoffträgers 8, die ebenfalls ringförmig umläuft, angebracht. Dies ist auch in Verbindung mit der 6 gut zu erkennen.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, werden erfindungsgemäß Leiterbahnen 18 und elektrische / elektronische Bauteile 17 auf einem Kunststoffteil 8 zum Aufbau eines induktiven Positionssensors 5 vorgeschlagen. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind unter anderem, dass viele Möglichkeiten der Formgestaltung des Trägers 8 bestehen, wobei nahezu jede Geometrie möglich ist, dass mechanische Bauteile reduziert werden, dass die Möglichkeit besteht, weitere Funktionen im Träger 8 abzubilden (bspw. Positioniermarken, Aufnahmen für weitere mechanische Bauteile, etc.), dass die Positionierung und Fixierung der bisher verwendeten Leiterplatte im Kunststoffgehäuse 8 entfällt, dass eine einfachere Montage als mit einer Flex-Platine möglich ist, da starres Material, und dass eine geringere Fertigungskomplexität (bspw. Entfall von Prozessschritten wie Vergießen) besteht.
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Die erfinderische Lösung vereinfacht die Fertigung, indem die Bauteilanzahl sowie die Fertigungsschritte reduziert werden. Hierbei werden die Spulenstrukturen 15 und die elektrische / elektronische Bauteile 17 mittels 3D-MID direkt auf das Kunststoffteil 8 aufgebracht. Somit ist keine Leiterplatte mehr notwendig. Zudem entfallen die Positionierungs- / Fixierungspins für die Leiterplatte entfallen, weshalb Prozessschritte (bspw. Heißverstemmen) entfallen. Die Kontaktierung 19 zum Stecker kann nach wie vor mit Stanzgittern realisiert werden, die ggf. direkt mittels 3D-MID-Verfahren kontaktiert werden. Somit wären auch keine Stanzgitter mit Press-Fit-Kontakten mehr erforderlich. Ggf. kann auch ein Stecker mittels 3D-MID-Verfahren realisiert werden.
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Das Kunststoffteil 8 bildet vorzugsweise einen Kunststoffring und kann direkt mit Fixierungsmöglichkeiten (Haltenasen) gefertigt werden, sodass keine weiteren Fixierungsmaßnahmen mehr getroffen werden müssen. Damit werden quasi drei Bauteile (Leiterplatte, Vergussmasse, Kunststoffhalterung) durch ein Bauteil ersetzt, was sämtliche Funktionen der drei Bauteile beinhaltet. Ebenso können die Nachteile der Vergussmasse (Zeit, Beschädigung des Lagers, etc.) entfallen.
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In einer weiter bevorzugten Ausführung wird die Sensoreinheit 5 radial angeordnet, um axialen Bauraum in einem Sensorlager 1 mit einer Drehwinkelsensoreinheit 4 einzusparen. Dabei wird auf einfache Weise ein Kunststoffring 8 gefertigt, der um ein Target 6 herum angeordnet ist. Auf dem Kunststoffträger 8 wird mittels dem 3D-MID-Verfahren eine Leiterplattenstruktur 7, 18 für den Wirbelstromsensor 5 aufgebracht. Der Kunststoffträger 8 enthält sowohl die Leiterplattenstruktur 7, 18 als auch die Sensorchips 7, 17 und eine Schnittstelle 7, 19, z.B. in Form von angelöteten Leitungen und kann z.B. mit Hilfe eines Vergusses oder verschiedenen mechanischen Lösungen z. B. Nasen im Außenring 2 des Lagers 1 fixiert werden.
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Wie mit den 1 bis 5 erkennbar wird hierzu bevorzugt der Außenring 2 zum Beispiel vergrößert und eine extra Tasche 12, in der die Sensoreinheit 5 eingebracht wird, hinzugefügt. Das Target 6, welches für die induktive Wirbelstromsensorik benötigt wird, wird zum Beispiel auf dem Innenring 3 befestigt. Zum Beispiel indem der Innenring 3 axial etwas länger ausgeführt wird, ggf. könnte das Target 6 auch über die Stirnseite 20 des Innenrings 3 befestigt werden. Die Sensoreinheit 5 wird auf den Kunststoffträger 8 mittels der Technologie 3D-MID aufgebracht. Durch diese Technologie können Leiterbahnstrukturen 7, 18 auf einen Kunststoff aufgebracht werden. Zudem können die elektrischen Bauteile 7, 17 ebenfalls direkt auf dem Kunststoffträger 8 bestückt werden. Mit Hilfe von verschiedenen Verfahren, z.B. Verguss oder Nasen, kann dann der Kunststoffträger 8 im Außenring 2 fixiert werden. Ein Kabelabgang 19 kann dann beliebig gewählt werden, radial als auch axial.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordung
- 2
- erster Lagerring
- 3
- zweiter Lagerring
- 4
- Drehwinkelerfassungseinrichtung
- 5
- Sensoreinheit
- 6
- Geberteil
- 7
- Elektronikkomponente
- 8
- Kunststoffträger
- 9
- Innenseite
- 10
- Wälzkörper
- 11
- Erfassungsbereich
- 12
- Aufnahmeraum
- 13
- Scheibenbereich
- 14
- axiale Seite
- 15
- Induktionsspule
- 16
- Messsegment
- 17
- Elektronikbauteil
- 18
- Leiter
- 19
- Verbindungsbereich
- 20
- Stirnseite
- 21
- Schulter
- 22
- Laufbahn
- 23
- Längsachse
- 24
- Stirnfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020/015785 A1 [0002]
- WO 2020/015772 A1 [0003]
- WO 2019/063095 A1 [0003]
