DE10204453A1 - Induktiver Wegaufnehmer - Google Patents

Abstract

Ein induktiver Wegaufnehmer enthält einen Spulenkörper (1) mit zumindest einer Spule (11, 12, 13) und eine Hülse (2) um den Spulenkörper (1), die verschieblich ist entlang der Längsachse des Spulenkörpers (A-A'), und die Material mit hoher Permeabilität enthält. Weiterhin sind elektrische Anschlüsse an einer Stirnseite (18) des Spulenkörpers (1) vorgesehen. Der induktive Wegaufnehmer kann damit in SMD-Bestückungsautomaten verwendet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegaufnehmer.
• Induktive Wegaufnehmer werden dazu verwendet, translatorische oder rotatorische Wege zu messen. Derartige Wegaufnehmer weisen gewöhnlich ein stationäres sowie ein dazu verschiebliches Bauteil auf.
• Hintergrund für die Durchführung einer Wegmessung kann nicht nur ein Informationsbedürfnis an dem gemessenen Weg sein. Vielmehr kann eine Auslenkung des beweglichen Bauteils eines Wegaufnehmers mittelbar Aufschluss geben über eine auf dieses Bauteil einwirkende Kraft, insbesondere eine Druck- oder Zugkraft.
• Induktive Wegaufnehmer zeichnen sich dadurch aus, dass sie berührungslos arbeiten. Zwischen stationärem Bauteil und verschieblichem Bauteil entstehen bei der Auslenkung des verschieblichen Bauteils keinerlei Reibungsverluste.
• Dabei weist das stationäre Bauteil gewöhnlich zumindest zwei nebeneinander angeordnete Spulen auf. Innerhalb dieser Spulen ist ein ferromagnetisches, meist stabförmig ausgebildetes Bauteil entlang der Spulenlängsachsen frei verschieblich. Wird nun die Primärspule mit Strom beaufschlagt, so erzeugt sie ein magnetisches Feld. Dieses Magnetfeld durchfließt den ferromagnetischen Stab und induziert eine Spannung in die Sekundärspule.
• Dabei ist die in der Sekundärspule erzeugte Spannung abhängig von der magnetischen Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule. Die magnetische Kopplung über den ferromagnetischen Stab ist dabei abhängig von der Wegposition des Stabes.
• Der Artikel "The Easy Way To Interface An LVDT To Digital" von Daniel Denaro und John Sylvan, Analog Dialogue, 20-2 1986, Seite 19, offenbart einen solchen induktiven Wegaufnehmer, der auch in Fig. 2 dargestellt ist.
• Dieser bekannte induktive Wegaufnehmer enthält einen stationären Spulenkörper 7, der drei Spulen enthält, davon zwei Sekundärspulen 71 und 73 sowie eine Primärspule 72. Die Sekundärspulen 71 und 73 sind beidseitig der Primärspule 72 angeordnet. Der zylinderförmige Spulenkörper 7 ist als Hohlzylinder ausgebildet, so dass in seinem Inneren ein ferromagnetischer Stab 8 mit Führungsenden 9 frei verschieblich zur Längsachse des Spulenkörpers angeordnet ist.
• Der Weggeber nach Fig. 2 ist als sogenannter LVDT (linear variable differential transformer) ausgebildet. Das Nutzsignal wird dabei durch eine Differenzmessung an den beiden Sekundärspulen gewonnen. Dabei wird beispielsweise bei einer in Fig. 2 eingezeichneten Position des Stabes 8 in beide Sekundärspulen 71 und 73 eine Spannung etwa gleicher Höhe induziert, da der Stab 8 mittig zur Primärspule angeordnet ist. Bei einer Verschiebung des Stabes 8 hin zur Sekundärspule 73 wird in dieser eine höhere Spannung induziert als in der Sekundärspule 71. Umgekehrt wird bei einer Verschiebung des Stabes 8 in Richtung der Sekundärspule 71 in dieser eine höhere Spannung induziert als in der Sekundärspule 73. Durch Subtraktion der in die Sekundärspulen 71 und 73 induzierten Spannungen voneinander lässt sich eindeutig die Wegposition des Stabes 8 bestimmen. Zudem lassen sich durch die Differenzmessung gleichmäßig auf die Anordnung wirkende Störeinflüsse eliminieren.
• Solche induktiven Wegaufnehmer sind bislang ausschließlich als bedrahtete Bauteile verfügbar. Dabei werden die Wicklungsenden der Spulen als Drähte oder Kabelenden lose aus dem Spulenkörper herausgeführt. Bei der Anordnung von solchen induktiven Wegaufnehmern auf Schaltungsträgern sind diese Kabelenden gewöhnlich von Hand auf den Schaltungsträger anzulöten.
• In der großindustriellen Fertigung werden jedoch Schaltungsträger in der sogenannten SMD-Technik (surface mounted device) bestückt. Dazu sind SMD-Bauelemente erforderlich, die Lötkontakte aufweisen. Dabei werden die Bauelemente mit ihren Lötkontakten direkt auf Gegenkontaktflächen auf dem Schaltungsträger aufgesetzt, ohne dass Drähte oder Kabelenden gehandhabt werden müssen.
• Bekannte induktive Wegaufnehmer sind für den Einsatz in einer derartigen Bestückungsmaschine nicht geeignet.
• Zudem treten die Führungsenden des ferromagnetischen Stabes zu beiden Seiten aus dem Spulenkörper heraus und sind der auf den Stab einwirkenden Kraft freizugeben. Diese mechanische Ausbildung ist in der Praxis aufwendig, da gewöhnlich der Stab mit seinen Führungsenden beidseitig ein Lager erfordert, um ein Verkanten des Stabes im Spulenkörper zu verhindern.
• Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen einfach aufgebauten und für die großindustrielle Fertigung einsetzbaren induktiven Wegaufnehmer zu schaffen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 einen erfindungsgemäßen induktiven Wegaufnehmer, und
• Fig. 2 einen bekannten induktiven Wegaufnehmer.
• Der erfindungsgemäße induktive Wegaufnehmer nach Fig. 1 enthält einen Spulenkörper 1 mit zwei Sekundärspulen 11 und 13 sowie einer Primärspule 12. Die Spulen 11 bis 13 sind auf einen Stab 14 aufgewickelt, welcher vorzugsweise hohe Permeabilität aufweist und ferromagnetisches Material enthält. Der Spulenkörper weist vollzylindrische Form auf. Die Spulenanordnung ist mit Vergussmasse 15 zu eben diesem Vollzylinder vergossen.
• Fig. 1 zeigt die Längsachse A-A' des Spulenkörpers 1. Folglich weist der zylindrische Spulenkörper 1 zwei Stirnseiten auf, von denen eine ausdrücklich mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet ist. An dieser Stirnseite 18 sind zwei elektrische Anschlüsse in Form von Kontaktpads 3 angeordnet. Jedes Kontaktpad 3 ist über eine eigene in die Vergussmasse 15 gelegte Leitung mit einer Spule 11 bzw. 12 verbunden. Natürlich können weitere Kontaktpads 3 an der Stirnseite 18 des Spulenkörpers 1 angeordnet sein, um Anschlüsse für sämtliche Spulen-Wicklungsenden zur Verfügung zu stellen. Die Kontaktpads 3 können in vorteilhafterweise auch innerhalb der kreisrunden Stirnfläche des Spulenkörpers angeordnet sein.
• An der Stirnseite 18 weist der Spulenkörper ferner einen Zapfen 17 auf.
• Der Spulenkörper 1 ist umgeben von einer Hülse 2, welche einen ferromagnetischen Ring 21 enthält. Die Hülse 2 ist verschieblich gelagert gegenüber dem Spulenkörper 1, insbesondere reibungsfrei. Dabei ist die Hülse 2 vorzugsweise verbunden mit einem beweglichen Element, dessen Auslenkung erfasst werden soll.
• Bei dem induktiven Wegaufnehmer gemäß Fig. 1 handelt es sich wiederum um ein LVDT: Dabei wird eine Differenzmessung an den Sekundärspulen 11 und 13 durchgeführt. Bei Strombeaufschlagung der Primärspule bestimmt die Position der Hülse 2 mit ihrem ferromagnetischen Ring 21 die magnetische Kopplung zwischen der Primärspule 12 und den Sekundärspulen 11 und 13. Durch eine Spannungsdifferenzmessung an den Sekundärspulen 11 und 13 kann somit die Position der Hülse 2 relativ zum Spulenkörper 1 genau abgeleitet werden.
• Die Hülse 2 ist hohlzylinderförmig aufgebaut kann aber auch andere Bauformen aufweisen, wie auch der Spulenkörper 1 an sich nicht zwingend Zylinderform aufweisen muss. Jedenfalls ist eine magnetische Kopplung zwischen dem ferrogmagnetischen Material der Hülse 2 und den Spulen 11 bis 13 erforderlich. In Fig. 1 kennzeichnen dabei von links oben nach rechts unten geführte Linien ein Material mit hohem magnetischen Widerstand beispielsweise Kunststoff. Eingegossen oder verpresst oder verklebt in diese Kunststoffhülse ist ein Materialabschnitt mit hoher Permeabilität von vorzugsweise µ_r » 1, d. h. geringem magnetischen Widerstand, insbesondere ein ferromagnetisches Material, das durch gestrichelte Linien von links unten nach rechts oben gekennzeichnet ist. Dieser Materialabschnitt hat im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Ringform 21.
• Bezüglich der Materialeigenschaften kennzeichnen die gestrichelten Bereiche des Spulenkörpers ebenfalls unterschiedliche Materialien: Die Strichführung von links oben nach rechts unten kennzeichnet auch beim Spulenkörper ein Material mit hohem magnetischen Widerstand, also beispielsweise Kunststoff, in das die Spulen 11 bis 13 eingebettet sind. Der Stab 14, auf den die Spulen 11 bis 13 ihrerseits aufgewickelt sind, ist wiederum durch Linien von links unten nach rechts oben gekennzeichnet und repräsentiert ein Material mit geringem magnetischen Widerstand und damit hoher Permeabilität. Die Materialwahl ist durch eine bestmögliche magnetische Kopplung bestimmt.
• Der Spulenkörper 1 wird nun mit seiner Stirnseite 18 auf einen Schaltungsträger aufgesetzt. Kontaktpads 3 sowie Stirnfläche 19 des Spulenkörpers 1 liegen dabei in einer Ebene und bilden eine plane Fläche, welche auf dem nicht eingezeichneten Schaltungsträger aufliegen kann. Durch ein Loch im Schaltungsträger, in das der Zapfen 17 des Spulenkörpers eingreifen kann, wird die Position des Spulenkörpers 1 auf dem Schaltungsträger vorgegeben. Damit ist eine exakte Positionierung des Spulenkörpers auf dem Schaltungsträger gewährleistet. Montagefehler können dadurch vermieden werden. Der Zapfen 17 kann aber auch dazu dienen, eine exakte Bauhöhe des Spulenkörpers 1 über dem Schaltungsträger einzustellen.
• Der Schaltungsträger enthält an geeigneten Stellen ebenfalls Kontaktpads, die den Kontaktpads 3 des Spulenkörpers 1 bei seiner Anordnung auf dem Schaltungsträger gegenüberstehen. Dabei kann ein gewöhnlicher SMD-Bestückungsprozess erfolgen, bei dem beispielsweise die schaltungsträgerseitigen Kontaktpads mit einer Lötpaste versehen werden, der Schaltungsträger erhitzt wird, und dann der als SMD-Bauelement ausgebildete Spulenkörper 1 aus dem Ausführungsbeispiel auf den Schaltungsträger aufgesetzt wird, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktpads des Schaltungsträgers und den Kontaktpads des Spulenkörpers über die Lötpaste erfolgt, welche im Folgenden erkaltet.
• Mit der Erfindung wurde nun ein SMD-bestückbarer induktiver Wegaufnehmer geschaffen, der von Bestückungsautomaten auf Schaltungsträger aufsetzbar ist und im automatischen Bestückungsprozess eingesetzt und damit auch in der großindustriellen Serienproduktion verwendet werden, kann.
• Vorzugsweise wird ein solcher induktiver Wegaufnehmer in den Kraftpfad zwischen einem Fahrzeugsitz und der Kraftfahrzeugkarosserie eingebaut. Dabei kann beispielsweise die Hülse des induktiven Wegaufnehmers in eine Bohrung einer Sitzschiene durch Kleben, Pressen oder Schrauben verbaut werden. Die über den Fahrzeugsitz auf die Sitzschiene einwirkende Gewichtskraft wird bei gleichzeitiger federnder Lagerung der Sitzschiene gegenüber der Fahrzeugkarosserie in eine Wegänderung umgesetzt, die durch den Differentialaufnehmer ermittelt werden kann.

Claims (10)

1. Induktiver Wegaufnehmer,
mit einem Spulenkörper (1) mit zumindest einer Spule (11, 12, 13),
mit einer Hülse (2) um den Spulenkörper (1), die verschieblich ist entlang der Längsachse des Spulenkörpers (A-A'), und die Material mit hoher Permeabilität enthält, und mit elektrischen Anschlüssen an einer Stirnseite (18) des Spulenkörpers (1).

2. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Spule (11, 12, 13) unmittelbar oder mittelbar mit den elektrischen Anschlüssen elektrisch verbunden sind.

3. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die elektrischen Anschlüsse als Kontaktpads (3) ausgebildet sind.

4. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 3, bei dem die Kontaktpads (3) mit der Stirnfläche (19) des Spulenkörpers (1) in einer Ebene liegen.

5. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Spulenkörper (1) zylinderförmig ausgebildet ist und die Stirnflächen (19) Kreisform aufweisen.

6. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5, bei dem die Kontaktpads (3) innerhalb der kreisförmigen Stirnfläche (19) angeordnet sind.

7. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5, bei dem die Kontaktpads (3) außerhalb der kreisförmigen Stirnfläche (19) angeordnet sind.

6. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (2) ferromagnetisches Material enthält.

9. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Stab (14) mit ferromagnetischem Material, auf den die Spule (11, 12, 13) aufgewickelt ist.

10. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Zapfen (17) an der Stirnseite (18) des Spulenkörpers (1).