DE10354694A1

DE10354694A1 - Induktiver Sensor

Info

Publication number: DE10354694A1
Application number: DE2003154694
Authority: DE
Inventors: Josef Baak; Olaf Dr. Machul
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-23
Also published as: DE10354694B4; DE10354694C5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor mit wenigstens einer auf einem Träger angeordneter Leiterbahn, die wenigstens einen Teil einer Spule bildet, sowie mit einem der Spule zugeordneten Spulenkern. Um einen Sensor bereitzustellen, der insbesondere einfacher, in weniger Arbeitsschritten und damit kostengünstiger herzustellen ist, der für viele Einsatzgebiete geeignet ist und der eine kleinere Bauform ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Träger mehrschichtig aufgebaut ist und äußere Schichten Leiterbahnabschnitte tragen, die über Kontaktierungen verbunden sind, so dass die Leiterbahnabschnitte der Schichten zu durchgehenden Wicklungen der Spule vervollständigt sind und dass zwischen den äußeren Schichten der Spulenkern angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sensoren dieser Art werden beispielsweise in der Automatisierungstechnik verwendet zur Positionsbestimmung bei pneumatischen Zylindern um die jeweilige Position eines innerhalb des Zylinders laufenden Kolbens zu erfassen. Dazu wird über den an dem Zylinder befestigten Sensor das magnetische Feld eines an dem Kolben befestigten Magnetrings aufgenommen und durch Auswertung des Ausgangssignals des magnetischen Sensors die jeweilige Position des Kolbens bestimmt. Zu diesem Zweck enthält der Sensor eine Spule mit mehreren Wicklungen, die zur Verstärkung und Führung des Magnetfeldes einen weichmagnetischen Spulenkern umgeben. Wenn der Magnetring durch Verschieben des Kolbens in eine bestimmte Position gebracht wird, wird die Spule durch den Magnetring in Sättigung gebracht, wodurch die Induktivität der Spule verändert wird. In einer mit der Spule verbundenen Auswerteschaltung wird diese Induktivitätsänderung detektiert und ein entsprechendes Positionssignal ausgegeben.

In einer anderen Anwendung wird mittels des induktiven Sensors die Annäherung eines metallischen Gegenstandes in den Sensorbereich detektiert, wobei die Annä herung des metallischen Gegenstandes wiederum eine Änderung der Induktivität bewirkt, die von der Auswerteschaltung erkannt wird.

Aus der DE 200 01 648 U1 ist ein induktiver Sensor bekannt, bei dem die Spule aus einer auf einem dreidimensionalen Schaltungsträger aufgedruckten Leiterbahn besteht und der dreidimensionale Schaltungsträger eine Vertiefung aufweist, in der ein Spulenkern gehalten ist, so dass der Spulenkern definiert positioniert gegenüber der Spule gehalten ist. Der dreidimensionale Schaltungsträger bildet gleichzeitig einen Teil des Sensorgehäuses.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der insbesondere einfacher, in weniger Arbeitsschritten und damit kostengünstiger herzustellen ist, der für viele Einsatzgebiete geeignet ist und der eine kleinere Bauform ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der erfindungsgemäße, induktive Sensor weist wenigstens eine auf einem Träger angeordnete Leiterbahn auf, die wenigstens Teil einer Spule bildet sowie einen der Spule zugeordneten Spulenkern, wobei der Träger mehrschichtig aufgebaut ist und äußere Schichten Windungsabschnitte tragen, die über Kontaktierungen verbunden sind, so dass die Windungsabschnitte der Schichten zu durchgehenden Wicklungen der Spule vervollständigt sind und wobei zwischen den äußeren Schichten der Spulenkern angeordnet ist.

In dieser neuen Anordnung kann auf eine dreidimensionale Ausbildung des Schaltungsträgers verzichtet werden, wodurch erheblich Bauraum gewonnen wird. Außerdem ist ein ebener Schaltungsträger, also eine Leiterplatte, eine Standard-Handelsware und dementsprechend kostengünstig in der Anschaffung und in der Handhabung.

Durch den schichtweisen Aufbau ist eine sehr einfache und kostengünstige Zuordnung von Spule zu Spulenkern geschaffen und die bisherige Trennung von Spulenkern und den restlichen, insbesondere elektronischen Komponenten des Sensors aufgehoben, so dass eine automatisierte, kostengünstige Fertigung des kompletten Sensors möglich ist.

In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die Spulenkerngeometrie und die Anordnung der Windungen der Spule sehr präzise und reproduzierbar in der Fertigung hergestellt werden, so dass der erfindungsgemäße Sensor sehr viel geringere Fertigungstoleranzen aufweist und daher eine höhere Messgenauigkeit bei geringeren Herstellkosten haben kann.

Durch den schichtweisen Aufbau verfügt die Spule und damit der gesamte Sensor über eine sehr kompakte Bauform. Die elektronischen Komponenten der Auswerteelektronik können auf den selben Schaltungsträger aufgebracht sein. Die Herstellkosten werden dadurch erheblich reduziert. Die kleinere Bauform kann weiter neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

Vorteilhafterweise ist der Spulenkern als Zwischenschicht ausgebildet, wodurch ein minimalster Bauraum realisiert ist. Insbesondere kann der Spulenkern durch eine Folie eines amorphen Metalls gebildet sein.

Wenn der Träger als mehrschichtige ebene Leiterplatte ausgebildet ist, kann die Herstellung weiter vereinfacht sein.

Alternativ kann jede äußere Schicht durch eine separate Leiterplatte gebildet sein. Das kann gegebenenfalls vorteilhaft sein, wenn eine größere Variantenvielfalt gewünscht ist. Die separaten Leiterplatten könnten mit verschiedenen Komponenten bestückt sein.

Je nachdem in welcher Anwendung der Sensor eingesetzt werden soll, kann es wünschenswert sein, mehrere Magnetfelder oder ein speziell geformtes Magnetfeld des Sensors zu erhalten, so dass in einer Weiterbildung der Erfindung weitere Spulen auf dem Träger vorgesehen sind und/oder in einer weiteren Weiterbildung der Spulenkern in einfachster Weise in verschiedenen Formen ausgebildet sein kann, wobei die Spulenwicklungen an die Form angepasst sind, so dass ein gewünschter Verlauf des Magnetfeldes erreichbar ist. Über den Verlauf des Magnetfeldes lässt sich beispielsweise der Schaltabstand des Sensors beeinflussen.

Zum Schutz von Schaltungsträger und Spulenkern sollte bevorzugt ein Gehäuse vorgesehen sein, in dem diese gehalten sind, wobei das Gehäuse für eine kostengünstige Massenfertigung in Spritzgusstechnik herstellbar ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung einer Spule mit Spulenkern eines erfindungsgemäßen Sensors;
2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Sensors im Querschnitt;
3 andere Ausführungsformen von Spulen eines Sensors.
Ein erfindungsgemäßer induktiver Sensor 10 weist wenigstens eine Spule 12 zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Der Spule 12 ist eine Auswerteelektronik 14 zugeordnet, die Veränderungen elektromagnetischer Eigenschaften der Spule erkennt und daraus gegebenenfalls ein Signal ableitet und dieses Signal ausgibt. In der Regel wird eine Veränderung der Induktivität der Spule bestimmt und in Abhängigkeit davon ein Schaltsignal ausgegeben. In der 2 ist der Sensor 10 dargestellt, allerdings ohne elektrische Anschlüsse und ohne ein Gehäuse, um eine bessere Übersichtlichkeit zu erhalten.
1 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen möglichen Aufbau der Spule 12. Hierfür sind in einer parallelen Anordnung eine erste Schicht 16 und eine zweite Schicht 18, beispielsweise bestehend aus FR4, vorgesehen. Zwischen den beiden Schichten 16 und 18 befindet sich ein als Spulenkern 20 dienender Streifen 22 eines amorphen Metalls. Das Metall kann beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung sein.
Die Schichten 16 und 18 dienen als ebener Träger von Leiterbahnen und enthalten mehrere Leiterbahnenabschnitte 24 bzw. 26. Die Leiterbahnabschnitte 24 bzw. 26 einer Schicht 16 bzw. 18 sind im Wesentlichen parallel zueinander und hinsichtlich der Längsrichtung 30 der zu bildenden Spule 12 mit Abstand a voneinander angeordnet. Die Ausrichtung der Leiterbahnabschnitte 26 der zweiten Schicht 18 ist bezüglich der Ausrichtung der Leiterbahnabschnitte 24 der ersten Schicht 16 abgewinkelt.
An den beiden Enden jedes Leiterbahnabschnittes 24, 26 sind an den beiden Schichten 16, 18 Durchkontaktierungen 28 vorgesehen (in 1 gestrichelt und der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich im linken Bereich eingezeichnet). Mit Ausnahme der beiden äußeren Leiterbahnabschnitte 24 der ersten Schicht 16 verbinden die Durchkontaktierungen 28 jeden Leiterbahnabschnitt 24 bzw. 26 einer Schicht 16 bzw. 18 mit jeweils zwei zueinander benachbarten Leiterbahnabschnitten 26 bzw. 24 der anderen Schicht 18 bzw. 16.
Die Anordnung der Leiterbahnabschnitte 24 und 26 und der Durchkontaktierungen 28 ist dergestalt schraubenförmig gewählt, dass die den Spulenkern 20 umgebende Spule 12 gebildet ist, wobei je ein Leiterbahnabschnitt 24, eine Durchkontaktierung 28 und je ein Leiterbahnabschnitt 26 eine Windung der Spule 12 bilden.
Der Abstand a zwischen den Leiterbahnabschnitten 24, 26 kann variieren, wie in 1 angedeutet, so dass die Wicklungsdichte der somit gebildeten Spule 12 entlang der Längsrichtung 30 variiert. Die beiden Enden der Spule 12 sind gebildet durch Anschlusskontakte 32.
Die Schichten 16 und 18 können gemeinsam eine Leiterplatte bilden oder als einzelne Leiterplatten ausgebildet sein.
Eine oder beide der Schichten 16, 18 tragen die Auswerteschaltung 14, deren elektronische Komponenten, von denen in 2 vier beispielhaft dargestellt und mit Bezugsziffern 34 versehen sind, in unmittelbarer Nähe der Spule 12 angeordnet sein können. Mit der Auswerteschaltung 14 ist ein von der Induktivität der Spule 12 abhängiges Sensorsignal erzeugbar. Über nicht dargestellte Zuleitungen ist der Sensor 10 mit elektrischer Energie versorgbar und/oder sind die Signale der Auswerteschaltung 21 ausgebbar. Die elektronischen Komponenten könnten in platzsparender Weise auch in nicht dargestellter Weise auf einer weiteren Schicht der Leiterplatte angeordnet sein.
Die Leiterbahnabschnitte 24, 26 können in bekannter Weise bei der Herstellung der Schichten durch fotolithographische Prozesse hergestellt werden, wobei die Spule mit einer hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erzeugt werden kann.
Die Spule 12 erzeugt bei Stromfluss durch die Leiterbahnabschnitte 24, 26 ein Magnetfeld, das mittels eines Spulenkerns 18 derart geführt wird, dass es in einem gewünschten Bereich eine entsprechende Feldstärke erzeugt.
Sämtliche Komponenten des Sensors 10, insbesondere die Schichten 16, 18 mit dem der Spule 12 und dem Spulenkern 20, sind bevorzugt in einem nicht dargestellten Gehäuse gehalten. In der Zeichnung nicht dargestellte Anzeigeelemente, Bedienelemente und/oder Anschlussbauelemente, wie Kabel oder Steckverbinder, können ebenso in dem Gehäuse angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Träger der Leiterbahnenabschnitte 24 und 26 auch als mehrschichtige ebene Leiterplatte ausgebildet sein, die von beiden Seiten mit elektronischen Komponenten 34 bestückbar ist und die eine Zwischenschicht 36 aufweist, die den Spulenkern 20 bildet, wie dies in 2 dargestellt ist.
Weitere Ausführungsformen mit anderen Anordnungen von Spulenkernen, Leiterbahnen und Spulen sind im Rahmen der Erfindung möglich. So ist in 3 ein Träger 116 gezeigt, auf dem zwei Spulen 112 und 113 vorgesehen sind. In der 3 sind jeweils nur die Umrisse der Spulenkerne 120 und 121 und die Durchkontaktierungen 128 zur Spulenbildung dargestellt.
Es sind also in einfachster Weise Sensoren mit mehreren Spulen herstellbar. Ebenso können die Spulen und Spulenkerne verschiedenste Formen aufweisen. Durch die unterschiedlichen Formen lassen sich unterschiedliche Magnetfeldverläufe erzeugen, so dass sich damit Schaltpunkte des Sensors beeinflussen lassen.

Claims

Induktiver Sensor mit wenigstens einer auf einem Träger (16, 18; 116) angeordneter Leiterbahn (24, 26), die wenigstens Teil einer Spule (12) bildet, sowie mit einem der Spule (12) zugeordnetem Spulenkern (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16, 18; 116) mehrschichtig aufgebaut ist und äußere Schichten (16, 18) Leiterbahnabschnitte (24, 26) tragen, die über Kontaktierungen (28) verbunden sind, so dass die Leiterbahnabschnitte (24, 26) der Schichten (16, 18) zu durchgehenden Wicklungen der Spule (12) vervollständigt sind und dass zwischen den äußeren Schichten (16, 18) der Spulenkern (20; 22) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (20) als Zwischenschicht (36) ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (20) durch eine Folie (22) eines amorphen Metalls gebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16, 18; 116) als mehrschichtige ebene Leiterplatte ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede äußere Schicht (16, 18) gebildet ist durch eine separate Leiterplatte (16, 18).
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (16, 18; 116) weitere elektronische Komponenten (34), z. B. eine Auswerteschaltung (14), trägt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Spule (112 und 113) in gleicher Weise auf dem selben Träger (116) angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Spule einer Spulenkerngeometrie angepasst sind.