DE10209415B4

DE10209415B4 - Vorrichtung zur berührungslosen Hochfrequenzübertragung

Info

Publication number: DE10209415B4
Application number: DE2002109415
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Dammköhler; Heiko Jausel; Uwe Neumann-Henneberg; Bernward Stoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: DE10209415A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen 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 ringartige planare Rotorspule aufweisendes Sende- oder Empfängermodul, mit einem mit dem stationären Teil verbundenen, ein zweites Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene planare Statorspule aufweisendes Empfänger- oder Sendemodul, wobei Rotorspule und Statorspule jeweils auf einem Spulenträger angeordnet und mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Rotorspule und/oder die Statorspule als auf einer Leiterplatte aufgebrachte Leiterbahnschicht ausgebildet und die Leiterplatte an dem Spulenträger befestigt ist und wobei Rotorspule und Statorspule etwa koaxial einander gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule auf einem Spulenträger (21) mit einem etwa U-förmigen Ausschnitt (19) den U-förmigen Ausschnitt (19) in mehreren im geringen Abstand nebeneinander...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur berührungslosen 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 ringartige planare Rotorspule aufweisendes Sende- oder Empfängermodul, mit einem mit dem stationären Teil verbundenen, ein zweites Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene planare Statorspule aufweisendes Empfänger- oder Sendemodul, wobei Rotorspule und Statorspule jeweils auf einem Spulenträger angeordnet und mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Rotorspule und/oder die Statorspule als auf einer Leiterplatte aufgebrachte Leiterbahnschicht ausgebildet und die Leiterplatte an dem Spulenträger befestigt ist und wobei Rotorspule und Statorspule etwa koaxial einander gegenüberliegend 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.

Aus der DE 195 32 043 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Statorspule aus zwei die Lenkwelle umgebenden Spulen besteht, die schlaufenartig geformt sind. Die Rotorspule ist derartig auf einer der Sta torspule entsprechenden Bahn bewegbar, dass sie immer einen Teil der Statorspule überdeckt. Beide Spulen sind jeweils auf ringförmig die Lenkwelle umschließenden Leiterplatten angeordnet. Auf der die Rotorspule tragenden Leiterplatte ist auch die Elektronik zur Verarbeitung von ankommenden und gegebenenfalls abgehenden Signalen angeordnet.

Aus der DE 30 14 041 C2 ist ein Verfahren zum Aufbringen von elektrischen Leitern auf einen Träger aus Isolierstoff bekannt, bei dem der Träger durch Spritzgießen mit Kanälen gemusterter Leiterbahnen versehen und diese Kanäle mit einem leitfähigen Material gefüllt werden.

Aus der DE 195 32 914 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Hochfrequenzübertragung von Daten eines Drucksensors in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese Daten werden von einer in den Gummi des Reifens einvulkanisierten planaren Rotorspule aus einem Draht zu einer an einem stationären Teil des Kraftfahrzeugs angeordneten Empfangseinrichtung übertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Vorrichtung einfach aufgebaut und leicht herstellbar ist, gute Eigenschaften zur Daten- und Energieübertragung aufweist sowie einen Austausch der Statorspule ohne größeren Demontage- und Montageaufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Statorspule auf einem Spulenträger mit einem etwa U-förmigen Ausschnitt den U-förmigen Ausschnitt in mehreren im geringen Abstand nebeneinander angeordneten U-förmigen Windungen etwa U-förmig umschließend angeordnet ist.

Durch die Verwendung einer auf eine Leiterplatte aufgebrachten Leiterbahnschicht kann die Spule einfach und mit einer hohen Wicklungsdichte hergestellt werden.

Durch die sehr genau plane Herstellbarkeit der Leiterbahnschicht und damit der Rotorspule und/oder der Statorspule können Statorspule und Rotorspule mit nur geringem Abstand zueinander angeordnet werden. Dies und das koaxiale einander Gegenüberliegen führt zu einer hohen Sicherheit der korrekten Daten- und Energieübertragung und zu einem geringen erforderlichen axialen Bauraum der Vorrichtung.

Die U-förmige Ausgestaltung der Statorspule und deren Spulenträger ermöglicht problemlos einen Austausch ohne größeren Demontage- und Montageaufwand.

Vorzugsweise wird die Rotorspule ringartig auf die Leiterplatte aufgebracht.

Zur geringen Bauraum erfordernden Ausbildung kann die ringartig ausgebildete Leiterplatte an einem flanschartigen Bauteil des Spulenträgers befestigt sein.

Zur Kontaktierung der Rotorspule sind die freien Enden der Wicklung der Rotorspule mit Kontaktelementen verbunden.

Dabei können in einfacher Weise die Kontaktelemente Kontaktstifte sein, die axial durch das flanschartige Bauteil auf die der Leiterplatte abgewandte Seite des flanschartigen Bauteils ragen. Diese Ausbildung ermöglicht ein geringes radiales Bauraumerfordernis.

Zur einfachen Montage können die Kontaktstifte an ihrem mit der Rotorspule verbindbaren Ende mittels einer isolierenden Sockelleiste miteinander verbunden sein und durch eine in dem flanschartigen Bauteil axial ausgebildete Ausnehmung hindurchragen.

Dabei erfolgt eine einfache Kontaktierung dadurch, dass die einen Enden der Kontaktstifte mit den freien Enden der Rotorspule verlötet sind.

Ohne wesentlichen Aufwand können dazu Kontaktstellen der Rotorspule erzielt werden, wenn die freien Enden der Rotorspule zu der dem flanschartigen Bauteil zugewandten Seite der Leiterplatte durchkontaktiert sind.

Sind die Kontaktstifte durch die Sockelleiste zu einer SMD-Stiftleiste verbunden, so ist diese mit sehr geringem Aufwand mit den freien Enden der Rotorspule verlötbar.

Zur einfachen Kontaktierung der Kontaktstifte mit weiterführenden Leitungen, die z.B. aus einem Flexverbinder bestehen können, können die Kontaktstifte schweißbar, insbesondere laserschweißbar sein.

Weist der Spulenträger an der der Leiterplatte abgewandten Seite einen koaxialen Rohrteil auf, der an seiner radial umlaufenden äußeren Mantelfläche eine Auflagefläche besitzt, an der die Kontaktstifte mit einer Längsseite in Anlage sind, so besitzen die Kontaktstifte auf einfache Weise eine stabilisierende Abstützung.

Zur leichten Montage der Statorspule kann die Statorspule auf einer in einen Führungsschacht des Spulenträgers einsetzbaren Trägerplatte angeordnet sein.

Ist die Trägerplatte lösbar und radial zur Drehachse des Rotors entfernbar angeordnet, kann die Statoreinheit nach voll ständigem Zusammenbau der Vorrichtung montiert und wieder ausgetauscht werden.

Eine Statorspule großer Planarität und einfach und kostengünstigen Aufbaus besteht darin, dass die Statorspule aus einem mit einem Isolierlack überzogenen Spulendraht besteht, der in einer oder mehreren Lagen auf eine Spulenträgerfläche der Trägerplatte aufgewickelt ist, wobei der Isolierbacklack der aneinander anliegenden Windungen des Spulendrahts miteinander und/oder mit der Trägerplatte verschweißt ist.

Bei einer weiteren gleiche Vorteile aufweisenden Statorspule ist die Trägerplatte ein in einem ersten Spritzgießvorgang erzeugtes Spritzgussteil aus einem isolierenden technischen Kunststoff, in den in einem zweiten Spritzgießvorgang mit einem galvanisierbaren Kunststoff das Schaltungsmuster der Statorspule derart eingespritzt ist, dass eine Oberfläche der Statorspule zumindest teilweise freiliegend und nach einem Galvanisierprozess leitend metallisiert ist.

Die Statorspule kann auch ein aus einem Blech gestanztes Stanzgitter mit einem Abstand zwischen den Windungen sein, das in eine Spulenträgerfläche der aus einem isolierenden technischen Kunststoff als Spritzgussteil ausgebildeten Trägerplatte eingespritzt ist.

Eine sehr hohe Wicklungsdichte wird erreicht, wenn die Statorspule eine auf eine die Trägerplatte bildende Leiterplatte aufgebrachte Leiterbahnschicht ist.

Ein zusätzlichen Bauraum erfordernder Träger für das zweite Schaltungsmuster entfällt, wenn auf der Trägerplatte das zweite Schaltungsmuster angeordnet ist.

Dabei kann eine komplexe Entflechtung des Schaltungsmusters und ein geringer Bestückungsraum für die elektronischen Bauelemente erreicht werden, wenn die Trägerplatte eine als zweilagige Platine ausgebildete Leiterplatte ist.

Toleranzen im Abstand zwischen Rotorspule und Statorspule sind korrigierbar, wenn der Spulenträger axial zur Rotorspule verschiebbar angeordnet ist.

Ist der Außendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule oder des Bogens des U der Statorspule gegenüber dem Außendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule oder des Bogens des U der Statorspule größer, so werden radiale Toleranzen der eingebauten Spulen zueinander ganz oder erheblich ausgeglichen, da das Maß der radialen Überdeckung groß ist oder sogar eine vollständige Überdeckung sicher gestellt werden kann, was zu sehr guten Übertragungseigenschaften führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine perspektivische Vorderansicht einer Vorrichtung zur berührungslosen Hochfrequenzübertragung
2 eine perspektivische Vorderansicht des Spulenträgers der Rotorspule der Vorrichtung nach 1
3 eine perspektivische Rückansicht des Spulenträgers der Rotorspule der Vorrichtung nach 1
4 eine perspektivische Vorderansicht des Spulenträgers der Statorspule nach 1
5 eine Ansicht der Leiterplatte der Statorspule der Vorrichtung nach 1.
Die dargestellte Vorrichtung zeigt eine Längsspindel 1, die an ihrem einen Ende als Keilwelle 3 zur drehfesten Verbindung mit der Nabe eines nicht dargestellten Lenkrads ausgebildet ist.
An ihrem anderen Ende ist die Längsspindel 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 2 in Umfangsrichtung ein Spiel 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 zur Erfassung der Torsion des Torsionsstabs 5, woraus in einer ebenfalls auf dem Torsionsstab angeordneten Auswerteschaltung mit Sendemodul das über das Lenkrad auf die Längsspindel 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 zugeleitet.
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.
Auf der dem Rohrteil 12 abgewandten Ringfläche des Flanschteils 11 ist auf Abstandshaltern 6 des Flanschteils 11 auf liegend eine ringförmige Leiterplatte 7 befestigt. Auf der Leiterplatte 7 ist die als planare ringartige Spule ausgebildete, nicht dargestellte Rotorspule ringartig als Leiterbahnschicht aufgebracht. Die freien Enden der Rotorspule sind zu der dem Flanschteil 11 zugewandten Seite der Leiterplatte 7 durchkontaktiert.
Vier im Abstand nebeneinander in einer Ebene angeordnete, schweißbare Kontaktstifte 10 sind an ihrem einen Ende durch eine Sockelleiste 13 zu einer SMD-Stiftleiste 14 verbunden und mit den durchkontaktierten Enden der Rotorspule verlötet.
Die SMD-Stiftleiste 14 ragt mit den freien Enden der Kontaktstifte 10 durch eine im Flanschteil 11 axial durchgehend ausgebildete Ausnehmung 15 auf die der Leiterplatte 7 abgewandte Seite des Flanschteils 11, wobei dort die Kontaktstifte 11 mit einer Längsseite an einer Auflagefläche 16 anliegen. Die Auflagefläche 16 ist an der radial umlaufenden äußeren Mantelfläche des Rotorteils 12 angeformt.
Von dem Torsionsstab 5 ist die flexible Verbindung 8 durch einen durchgehenden Schlitz 17 im Rohrteil 12 und über die freien Enden der Kontaktstifte 10 geführt. Die Leiter der flexiblen Verbindung 8 sind mit den jeweils ihnen zugeordneten Kontaktstiften 10 mittels Laser elektrisch leitend verschweißt. Damit werden die von der Sensorik und der Auswerteschaltung erzeugten Signale zu der Rotorspule geleitet. Der Rotorspule mit geringem Abstand gegenüberliegend ist eine fest angeordnete, nicht dargestellte planare Statorspule angeordnet, durch die die Signale der Rotorspule empfangen und einem Empfängermodul weitergeleitet werden.
Die Statorspule ist auf einer Leiterplatte 18 als Leiterbahnschicht aufgebracht und umschließt in mehreren im geringen Abstand nebeneinander angeordneten U-förmigen Windungen einen U-förmigen Ausschnitt 19 der Leiterplatte 18.
Die Leiterplatte 18 trägt weiterhin ein nicht dargestelltes Schaltungsmuster des Empfängermoduls mit elektronischen Bauelementen, das mit der Statorspule leitend verbunden ist.
Die Leiterplatte 18 ist in einem radial zur Drehachse der Längsspindel 1 sich erstreckenden, entsprechenden Führungsschacht 20 in einen U-förmigen Spulenträger 21 angeordnet, der in seinem einen Randbereich Befestigungsösen 22 aufweist, über die er mittels Schrauben an einem nicht dargestellten ortsfesten Bauteil befestigbar ist.
Das Schaltungsmuster ist im eingebautem Zustand der Leiterplatte 18 mit einem nicht dargestellten Steckanschluss verbindbar, der in einen am Spulenträger 21 ausgebildeten Anschlussschacht 23 einsteckbar ist.

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen 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 ringartige planare Rotorspule aufweisendes Sende- oder Empfängermodul, mit einem mit dem stationären Teil verbundenen, ein zweites Schaltungsmuster mit elektronischen Bauelementen und eine leitend damit verbundene planare Statorspule aufweisendes Empfänger- oder Sendemodul, wobei Rotorspule und Statorspule jeweils auf einem Spulenträger angeordnet und mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Rotorspule und/oder die Statorspule als auf einer Leiterplatte aufgebrachte Leiterbahnschicht ausgebildet und die Leiterplatte an dem Spulenträger befestigt ist und wobei Rotorspule und Statorspule etwa koaxial einander gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule auf einem Spulenträger (21) mit einem etwa U-förmigen Ausschnitt (19) den U-förmigen Ausschnitt (19) in mehreren im geringen Abstand nebeneinander angeordneten U-förmigen Windungen etwa U-förmig umschließend angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorspule ringartig auf die Leiterplatte (7) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringartig ausgebildete Leiterplatte (7) an einem flanschartigen Bauteil (11) des Spulenträgers (9) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Wicklung der Rotorspule mit Kontaktelementen verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente Kontaktstifte (10) sind, die axial durch das flanschartige Bauteil (11) auf die der Leiterplatte (7) abgewandte Seite des flanschartigen Bauteils (11) ragen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (10) an ihrem mit der Rotorspule verbindbaren Ende mittels einer isolierenden Sockelleiste (13) miteinander verbunden sind und durch eine in dem flanschartigen Bauteil (11) axial ausgebildete Ausnehmung (15) hindurchragen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Enden der Kontaktstifte (10) mit den freien Enden der Rotorspule verlötet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Rotorspule zu der dem flanschartigen Bauteil (11) zugewandten Seite der Leiterplatte (7) durchkontaktiert sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (10) durch die Sockelleiste (13) zu einer SMD-Stiftleiste (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (10) schweißbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (9) an der der Leiterplatte (7) abgewandten Seite einen koaxialen Rohrteil (12) aufweist, der an seiner radial umlaufenden äußeren Mantelfläche eine Auflagefläche (16) besitzt, an der die Kontaktstifte (10) mit einer Längsseite in Anlage sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule auf einer in einen Führungsschacht (20) des Spulenträgers (21) einsetzbaren Trägerplatte angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte lösbar und radial zur Drehachse des Rotors entfernbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule aus einem mit einem Isolierlack überzogenen Spulendraht besteht, der in einer oder mehreren Lagen auf eine Spulenträgerfläche der Trägerplatte aufgewickelt ist, wobei der Isolierbacklack der aneinander anliegenden Windungen des Spulendrahts miteinander und/oder mit der Trägerplatte verschweißt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte 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 der Statorspule derart eingespritzt ist, dass eine Oberfläche der Statorspule zumindest teilweise freiliegend und nach einem Galvanisierprozess leitend metallisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule ein aus einem Blech gestanztes Stanzgitter mit einem Abstand zwischen seinen Windungen ist, das in eine Spulenträgerfläche der aus einem isolierenden technischen Kunststoff als Spritzgussteil ausgebildeten Trägerplatte eingespritzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorspule eine auf eine die Trägerplatte bildende Leiterplatte (18) aufgebrachte Leiterbahnschicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Trägerplatte das zweite Schaltungsmuster angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte eine als zweilagige Platine ausgebildete Leiterplatte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger axial zur Rotorspule verschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Rotorspule oder der Statorspule oder des Bogens des U der Statorspule gegenüber dem Außendurchmesser der Statorspule oder der Rotorspule oder des Bogens des U der Statorspule größer ist.