DE10209414A1

DE10209414A1 - Vorrichtung zur brührungsfreien Hochfrequenzübertragung

Info

Publication number: DE10209414A1
Application number: DE2002109414
Authority: DE
Inventors: Joerg Dammkoehler; Heiko Jausel; Uwe Neumann-Henneberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungsfreien Hochfrequenzübertragung elektrischer Energie und Daten in einem Kraftfahrzeug zwischen einem um mehrere Umdrehungen drehbaren Bauteil und einem stationären Teil. Eine mit einem Sendemodul verbundene Rotorspule 10 und eine mit einem Empfängermodul verbundene Statorspule sind jeweils auf einem Spulenträger 9 angeordnet und koaxial einander gegenüberliegend mit geringem Abstand zueinander positioniert. Der Spulenträger 9 ist ein in einem ersten Spritzgießvorgang erzeugtes Spritzgussteil aus einem isolierenden technischen Kunststoff, in den in einem zweiten Spritzgießvorgang mit einem galvanisierbaren Kunststoff ein Schaltungsmuster und die Rotorspule derart eingespritzt sind, dass eine Oberfläche des Schaltungsmusters und der Rotorspule freiliegend nach einem Galvanisierungsprozess elektrisch leitend metallisiert wurden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungsfreien Hochfrequenzübertragung elektrischer Energie und/oder Daten in einem Kraftfahrzeug zwischen einem um eine oder mehrere Umdrehungen drehbaren Bauteil, insbesondere der Lenkspindel eines Lenkrads, und einem stationären Teil, mit einem mit dem drehbaren Bauteil verbundenen, ein Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene Rotorspule aufweisenden Sende- oder Empfängermodul, mit einem mit dem stationären Teil verbundenen, ein zweites Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene Statorspule aufweisenden Empfänger- oder Sendemodul, wobei Rotorspule und Statorspule jeweils auf einem Spulenträger angeordnet und koaxial einander gegenüberliegend mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind.
Bei derartigen Vorrichtungen ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der Abstand zwischen Statorspule und Rotorspule und damit die Übertragungsstrecke der zu übertragenden Signale möglichst gering ist, um die Sicherheit einer korrekten berührungslosen Signalübertragung zu gewährleisten. Da eine der Spulen an einem drehbaren Bauteil und die andere Spule an einem ortsfesten Bauteil angeordnet ist, sind die sich addierenden Herstellungstoleranzen und damit der einzuhaltende Mindestabstand zwischen den Spulen groß.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Vorrichtung einfach aufgebaut und leicht herstellbar ist sowie gute Eigenschaften zur Daten- und Energieübertragung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Spulenträger ein in einem ersten Spritzgießvorgang erzeugtes Spritzgussteil aus einem isolierenden technischen Kunststoff ist, in den in einem zweiten Spritzgießvorgang mit einem galvanisierbaren Kunststoff das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule derart eingespritzt ist, dass eine Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule zumindest teilweise freiliegend und nach einem Galvanisierungsprozess elektrisch leitend metallisiert ist.
Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht darin, dass der Spulenträger aus einer thermisch tiefgezogenen Folie aus einem isolierenden technischen Kunststoff besteht, auf der vor dem Tiefziehvorgang das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule aufgebracht wurde, wobei die tiefgezogene Folie von einem technischen Kunststoff hinterspritzt ist.
Dabei ist vorzugsweise das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule in einem Druckverfahren, insbesondere in einem Siebdruckverfahren oder einem Tampondruckverfahren oder einem Inkjetverfahren auf die Folie aufgebracht.
Diese Vorrichtungen ermöglichen es mit hoher Maßgenauigkeit die Rotorspule und Statorspule herzustellen, so dass diese Spulen mit nur geringem Abstand zueinander angeordnet werden können, was zu einer hohen Sicherheit der korrekten Daten- und Energieübertragung führt.
Weiterhin ist eine direkte Bestückung des Schaltungsmusters des Spulenträgers mit den elektronischen Bauteilen möglich, so dass auf eine separate Leiterplatte verzichtet werden kann. Dies ermöglicht eine geringe Baugröße der Vorrichtung.
Die Integration des Schaltungsmusters in dem Spulenträger erlaubt eine hohe dreidimensonale Gestaltungsfreiheit und eine komplexe Entflechtung des Schaltungsmusters.
Ein Umspritzen der Spule zur Erzielung einer Stabilisierung der Spulen würde eine bestimmte Mindestwandstärke erfordern, die nun nicht erforderlich ist, so dass auch aus diesem Grund Statorspule und Rotorspule mit nur geringem Abstand zueinander angeordnet werden können.
Bei dem Ausführungsbeispiel mit tiefgezogener Folie kann die tiefgezogene Folie von dem technischen Kunststoff die Rotorspule oder Statorspule und die Anschlussbereiche des Schaltungsmusters zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente und/oder Anschlusskontaktierungen freilassend ganz oder teilweise hinterspritzt sein.
Um herkömmliche Lötverfahren einsetzen zu können, kann der Spulenträger aus einem aus einem hochtemperaturbeständigen technischen Kunststoff wie einem Polycarbonat oder einem Polyphenylensulfid oder einem Polyamid oder einem Acrylnitryl-Butadienstyrol oder einem Polybutylenenterephtalat bestehen.
Die tiefgezogene Folie kann aus einem Polyester oder einem Polycarbonat oder einem Polyetherimid bestehen.
Damit ist ein Reflowlöten möglich.
Als Löttechnik kann auch Phasendampflöten verwendet werden.
Bei anderen Kontaktierungsmethoden wie z. B. Leitkleben, Löten mit niedrigschmelzenden Lotpasten oder Sonderverfahren wie z. B. selektivem Löten können auch normaltemperaturbeständige technische Kunststoffe verwendet werden.
Das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule bestehen vorzugsweise aus Zinn oder aus Gold oder aus Nickel oder aus Palladium.
Zur Kontaktierung des Schaltungsmusters mit z. B. einem Lenkmomentsensor kann das Schaltungsmuster eine Kontaktierung, insbesondere einen Stecker aufweisen.
Trägt die metallisierte Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule eine Veredelungsschicht, so bewirkt diese einen Korrosionsschutz.
Zur geringen axialen Erstreckung der Vorrichtung und damit zu einem geringen erforderlichen axialen Bauraum, können Statorspule und Rotorspule Planarspulen sein.
Ist der Außendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber dem Außendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule größer und/oder der Innendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber dem Innendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule kleiner, so werden radiale Toleranzen der eingebauten Spulen zueinander ganz oder erheblich ausgeglichen, da das Maß der radialen Überdeckung groß ist und sogar eine vollständige Überdeckung sichergestellt werden kann, was zu sehr guten Übertragungseigenschaften führt.
Um eine geringe radiale Erstreckung und einen nur geringen erforderlichen radialen Einbauraum zu erreichen, können Statorspule und Rotorspule Zylinderspulen sein. Darüber hinaus können die Zylinderspulen mit geringen Toleranzen des Spalts zwischen Stator- und Rotorspule ausgelegt werden, da zylindrische Bauteile mit geringeren Toleranzen koaxial zueinander anordenbar sind.
Eine große oder sogar vollständige axiale Überdeckung von Rotorspule und Statorspule wird dadurch erreicht, dass die axiale Erstreckung der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber der axialen Erstreckung der Statorspule oder der Rotorspule größer ist.
Ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art besteht darin, dass in einem ersten Spritzgießvorgang der Spulenträger aus einem isolierenden technischen Kunststoff erzeugt und in einem zweiten Spritzgießvorgang das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule in den Spulenträger eingespritzt wird, wobei die Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule freiliegend verbleibt, nach einem folgenden Galvanisierungsprozess elektrisch leitend metallisiert und danach mit den elektronischen Bauteilen bestückt wird.
Auf diese Weise wird in wenigen, einfachen Herstellungsschritten eine Vorrichtung geringer Baugröße erreicht, die es ermöglicht, dass Rotorspule und Statorspule mit geringem Abstand zueinander angeordnet werden können.
Zur Verbesserung der Haftung der metallisierten Schicht kann das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule vor dem Galvanisierungsprozess oberflächenaktiviert werden.
Vorzugsweise werden die freiliegenden Oberflächen von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule chemisch oder elektrisch metallisiert.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer eingangs genannten Vorrichtung besteht darin, dass auf eine planare tiefziehbare Folie das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule aufgebracht wird, dass die Folie in einem thermischen Tiefziehprozess verformt und anschließend zumindest die Rotorspule oder die Statorspule und die Anschlussbereiche des Schaltungsmusters zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente und/oder Anschlusskontaktierungen freilassend mit einem technischen Kunststoff hinterspritzt und danach mit den elektronischen Bauteilen bestückt wird.
Auch dieses Verfahren führt mit einfachen wenigen Herstellungsschritten zu einer Vorrichtung, die einen geringen Abstand von Rotorspule und Statorspule zueinander erlaubt.
Vorzugsweise wird das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule in einem Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren oder einem Tampondruckverfahren oder einem Inkjetverfahren aufgebracht.
Die metallisierte Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule und Statorspule kann oberflächenveredelt werden, um so einen Korrosionsschutz zu bilden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht einer Vorrichtung mit einer planaren Rotorspule
Fig. 2 eine perspektivische Rückansicht der Vorrichtung nach Fig. 1
Fig. 3 eine perspektivische Vorderansicht des mit der Rotorspule versehenen Spulenträgers der Vorrichtung nach Fig. 1
Fig. 4 eine perspektivische Rückansicht des mit der Spule versehenen Spulenträgers nach Fig. 3.
Die dargestellte Vorrichtung zeigt eine Lenkspindel 1, die an ihrem einen Ende als Keilwelle 3 zur drehfesten Verbindung mit der Narbe eines nicht dargestellten Lenkrads ausgebildet ist.
An ihrem anderen Ende ist die Lenkspindel 1 topfartig ausgebildet und besitzt an der radial umlaufenden Innenwand des Topfes 4 eine Kupplungsverzahnung 2.
Ein nicht dargestellter zweiter Topf einer zu einer Lenkung führenden Welle ist dazu vorgesehen, mit einer Gegenkupplungsverzahnung in die Kupplungsverzahnung 2 einzugreifen, wobei zwischen der Gegenkupplungsverzahnung und der Kupplungsverzahnung zwei in Umfangsrichtung ein Spiel von etwa 5° besteht, so dass eine Überlastkupplung gebildet wird.
Ein flacher Torsionsstab 5 ist mit einem Ende fest mit dem Topf 4 und mit dem anderen Ende drehfest mit dem zweiten Topf verbunden und trägt auf seiner Oberfläche eine Sensorik 6 zur Erfassung der Torsion des Torsionsstabes 5, woraus in einer ebenfalls auf dem Torsionsstab 5 angeordneten Auswerteschaltung 7 mit Sendemodul das über das Lenkrad auf die Lenkspindel 1 einwirkende Drehmoment ermittelt wird.
Ein entsprechendes Signal wird von dem Sendemodul über eine flexible Verbindung 8 einer auf einem Spulenträger 9 angeordneten Rotorspule 10 zugleitet.
Der Spulenträger 10 ist ringartig mit einem Flanschteil 11 und einem koaxial nach einer Seite wegragenden Rohrteil 12 ausgebildet. Der Innendurchmesser des Flanschteils 11 entspricht dabei dem Innendurchmesser des Rohrteils 12.
Der Spulenträger 9 umschließt mit seinem Rohrteil 12 die äußere radial umlaufende Mantelfläche des Topfs 4 und ist fest mit dem Topf 4 verbunden.
Die dem Rohrteil 12 abgewandte Ringfläche des Flanschteils 11 bildet eine Spulenträgerfläche 13. An der Spulenträgerfläche 13 ist die als planare spiralartige Spule ausgebildete Rotorspule 10 dadurch fest angeordnet, dass in den als Spritzgussteil erzeugten Spulenträger 9 aus einem isolierenden Thermoplast in einem zweiten Spritzgießvorgang mit einem galvanisierbaren Kunststoff das Muster der Rotorspule 10 sowie der zu Kontaktierelementen 14 und 15 führenden Verbindungen 16 und 17 und der Kontaktierelemente 14 und 15 selbst mit zur Oberfläche des Spulenträgers 9 frei liegenden Oberflächen eingespritzt wurden, die dann in einem Galvanisierungsprozess leitend metallisiert wurden.
Die flexible Verbindung 8 ist dabei leitend mit den Kontaktierelementen 14 und 15 verbunden, so dass die von der Sensorik 6 und Auswerteschaltung 7 erzeugten Signale zu der Rotorspule 10 geleitet werden. Der Rotorspule 10 mit geringem Abstand gegenüberliegend ist eine fest angeordnete, nicht dargestellte planare Statorspule angeordnet, durch die die Signale der Rotorspule 10 empfangen und einem Empfängermodul weitergeleitet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Hochfrequenzübertragung elektrischer Energie und/oder Daten in einem Kraftfahrzeug zwischen einem um eine oder mehrere Umdrehungen drehbaren Bauteils, insbesondere der Lenkspindel eines Lenkrads und einem stationären Teil, mit einem mit dem drehbaren Bauteil verbundenen, ein Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene Rotorspule aufweisenden Sende- oder Empfängermodul, mit einem mit dem stationären Teil verbundenen, ein zweites Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene Statorspule aufweisenden Empfänger- oder Sendemodul, wobei Rotorspule und Statorspule jeweils auf einem Spulenträger angeordnet und koaxial einander gegenüberliegend mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (9) ein in einem ersten Spritzgießvorgang erzeugtes Spritzgussteil aus einem isolierenden technischen Kunststoff ist, in den in einem zweiten Spritzgießvorgang mit einem galvanisierbaren Kunststoff das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule (10) oder Statorspule derart eingespritzt ist, dass eine Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule (10) oder Statorspule zumindest teilweise freiliegend und nach einem Galvanisierungsprozess elektrisch leitend metallisiert ist.

2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger aus einer thermisch tiefgezogenen Folie aus einem isolierenden technischen Kunststoff besteht, auf der vor dem Tiefziehvorgang das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule aufgebracht wurde, wobei die tiefgezogene Folie von einem technischen Kunststoff hinterspritzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule in einem Druckverfahren, insbesondere in einem Siebdruckverfahren oder einem Tampondruckverfahren oder einem Inkjetverfahren auf die Folie aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefgezogene Folie von dem technischen Kunststoff, insbesondere von einem Hotmelt die Rotorspule oder Statorspule und die Anschlussbereiche des Schaltungsmusters zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente und/oder Anschlusskontaktierungen freilassend ganz oder teilweise hinterspritzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (9) und/oder die tiefgezogene Folie aus einem hochtemperaturbeständigen technischen Kunststoff besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger und/oder Flüssigkristallpolymer oder einem Polyphenylensulfid oder einem Polyamid oder einem Polycarbonat oder einem Polybutylenterephatalat oder einem Acrylnitryl- Butadienstyrol besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefgezogene Folie aus einem Polyester oder einem Polycarbonat oder einem Polyetherimid besteht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder Statorspule aus Zinn oder aus Gold oder aus Nickel oder aus Palladium besteht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmuster eine Kontaktierung aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule eine Veredelungsschicht trägt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule und die Rotorspule (10) Planarspulen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber dem Außendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule größer und/oder der Innendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber dem Innendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule kleiner ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Statorspule und Rotorspule Zylinderspulen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der Rotorspule oder der Statorspule gegenüber der axialen Erstreckung der Statorspule oder der Rotorspule größer ist.

15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Spritzgießvorgang der Spulenträger (9) aus einem isolierenden technischen Kunststoff erzeugt und in einem zweiten Spritzgießvorgang das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule (10) oder die Statorspule in den Spulenträger (9) eingespritzt wird, wobei die Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule (10) oder Statorspule freiliegend verbleibt, nach einem folgenden Galvanisierungsprozess elektrisch leitend metallisiert und danach mit den elektronischen Bauteilen bestückt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule vor dem Galvanisierungsprozess oberflächenaktiviert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegenden Oberflächen von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule oder Statorspule chemisch oder elektrisch metallisiert werden.

18. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine planare tiefziehbare Folie das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule aufgebracht wird, dass die Folie in einem thermischen Tiefziehprozess verformt und anschließend zumindest die Rotorspule oder die Statorspule und die Anschlussbereiche des Schaltungsmusters zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente und/oder Anschlusskontaktierungen freilassend mit einem Thermoplast hinterspritzt und danach mit den elektronischen Bauteilen bestückt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmuster und/oder die Rotorspule oder die Statorspule in einem Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren oder einem Tampondruckverfahren oder einem Inkjetverfahren aufgebracht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Oberfläche von Schaltungsmuster und/oder Rotorspule und Statorspule oberflächenveredelt werden.