-
Bereich der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Sensoren und
insbesondere auf die räumliche
Kompaktierung des Sensors, um die Baugruppengröße und -kosten zu verringern,
während eine
optimale Schaltungsempfindlichkeit bereitgestellt und die Lebensdauer
verbessert wird.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Erfassungsvorrichtungen,
die zum Messen einer Annäherung
oder Verschiebung eines Gegenstandes in einem mechanischen System
verwendet werden, sind in der Industrie üblich. Da mechanische Systeme
immer komplexer und kostspieliger werden, entstand das Bedürfnis, die
Sensor-Gesamtbaugruppengröße und -kosten
zu verringern. Viele mechanische Systeme verwenden Sensoren, die
die Bewegung eines magnetisch permeablen Gegenstandes erfassen,
der vor der Sensorbaugruppe angeordnet ist. Dieses Patent richtet
sich auf die Ausgestaltungsart, bei der es erforderlich ist, einen
Sensor mit einer zylindrischen Baugruppe in einen begrenzten Bereich
einzuführen
oder darin zu montieren, wobei der Sensor das Vorhandensein eines
Objekts erfassen muss, das sich vor ihm bewegt. Bei diesem Sensor muss
sein Erfassungselement in der Baugruppe so angeordnet sein, dass
es senkrecht zur Länge
der Baugruppe angeordnet und so positioniert ist, dass es und der
Magnet sich in unmittelbarer Nähe
des Ziels befinden, um eine maximale Empfindlichkeit zu ermöglichen.
Zusätzlich
müssen
die Drähte,
die zur Herstellung von Außenverbindungen
verwendet werden, innerhalb des Durchmessers der Sensorbaugruppe
eingeschlossen werden.
-
Herkömmlicherweise
verwenden die meisten Magnetsensoren ein vorher raumsparend zusammengebautes
Erfassungselement. Für
Anwendungen, bei denen die Größe nicht
in Betracht fällt,
eignet sich ein vorher raumsparend zusammengebautes Bauelement,
da das Hand haben des ungeschützten
Chips kostspielig sein kann. Dieses vorher raumsparend zusammengebaute
Erfassungselement wird in einer größeren Anordnung platziert,
die dann eine noch größere Baugruppe
für die
Aufnahme der Komponenten erfordert. Bei diesen Arten von Sensoren
sind die Komplexität,
die Größe, die
Lebensdauer und die Kosten alles Problempunkte.
-
Man
hat versucht, den raumsparenden Zusammenbau zu vereinfachen, indem
man Erfassungselemente ohne Gehäuse
verwendet, jedoch sind diese nicht in der Lage, alle vorstehenden
Kriterien zu erfüllen.
-
Dieses
Patent richtet sich auf eine Sensorbaugruppe, die so ausgelegt ist,
dass sie ein Minimum von Teilen hat, wodurch die Komplexität und Kosten
verringert werden, dass sie eine Einheitsform aufweist, wodurch
die Größe verringert
wird, während
eine optimale Empfindlichkeit beibehalten wird, und dass Materialien
verwendet werden, die dazu beitragen und einander unterstützen, dass
eine extreme Lebensdauer erhalten wird.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Ein
Sensor nach der vorliegenden Erfindung kann einen langgestreckten
Magneten mit einer planaren oberen Fläche an einem proximalen Ende,
wobei die planare obere Fläche
insgesamt senkrecht zu einer zentralen Achse des langgestreckten
Magneten ist, die sich zu einem distalen Ende erstreckt, und sich
dazwischen eine Seitenwand erstreckt; eine Annäherungserfassungsschaltung,
die direkt an der ebenen Oberfläche
gehalten ist, wenigstens zwei Bondkontaktstellen zur Herstellung
einer elektrischen Verbindung damit und ein Fühlelement aufweist, das längs der
zentralen Achse fluchtend ausgerichtet ist, um unabhängig von
der Drehung um die zentrale Achse ein erwünschtes Sensorausgangssignal
zu erhalten; wenigstens zwei nicht-magnetische elektrisch leitende langgestreckte
Stifte, die sich insgesamt parallel zu der zentralen Achse erstrecken, eine
Abstandsbeziehung zur Seitenwand des Magneten haben und jeder von
ihnen ein proximales Ende jeweils nahe an den wenigstens zwei Bondkontaktstellen
sowie eine Drahtverbindung dazwischen hat, wobei ein distales Ende
der wenigstens zwei langgestreckten Stifte einen abgesetzten Abschnitt hat,
der sich um das distale Ende des Magneten herum und nach innen zur
zentralen Achse erstreckt; sowie isolierte Leitungsdrähte aufweisen,
die mit jedem der abgesetzten Abschnitte verbunden sind und von
denen sich wenigstens ein Teil weg von dem Magneten insgesamt längs der
zentralen Achse erstreckt.
-
Die
Drahtverbindung zwischen jeder der Flächen der proximalen Enden der
wenigstens zwei langgestreckten Stifte und einer jeden der wenigstens
zwei Bondkontaktstellen kann innerhalb einer gemeinsamen Ebene liegen,
die sich senkrecht zur zentralen Achse erstreckt. Eine Umfangsabmessung eines
jeden abgesetzten Abschnitts kann größer als eine Umfangsabmessung
eines jeden langgestreckten Stifts sein, wodurch jeder damit zu
verbindende isolierte Draht einen Anschluss mit kleinerem Drahtdurchmesser
haben kann. Bei einer Ausführungsform
legt eine erste Einkapselung die wenigstens zwei elektrisch leitenden
langgestreckten Stifte in einer festgelegten Position bezüglich des
Magneten und seiner Umhüllung
fest. Alternativ kann eine zweite Einkapselung die Annäherungserfassungsschaltung
und die erste Einkapselung in sich umschließen, während von ihr nur die isolierten
Drähte
ausgehen.
-
Eine
Ausgestaltung der Erfindung kann eine zylindrische Sensorbaugruppe
aufweisen, deren innere Komponenten und Materialien optimal so gestaltet
und ausgerichtet sind, dass die Schaltungsempfindlichkeit maximiert
wird, und einen minimierten Querschnitt zur Verwendung in mechanischen Systemen
mit begrenztem Platz aufweisen. Die Sensorbaugruppe kann ein Fühlelement
enthalten, das direkt an der Mitte eines Magneten angebracht ist, wobei
dann beide so ausgerichtet sind, dass sie optimal in der Mitte der
radialen Achse der zylindrischen Sensorbaugruppe angeordnet sind,
wodurch ein maximales Sensorausgangssignal ohne eine Änderung aufgrund
des relativen Drehwinkels zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden
Ziel möglich
ist.
-
Elektrische
Kontaktstifte sind so geformt und angeordnet, dass eine Verbindung
von dem Fühlelement
an der Front der Baugruppe mit den äußeren Anschlussdrähten am
gegenüberliegenden
Ende hergestellt wird. Diese Stifte können aus einem nicht-magnetischen
Material hergestellt sein, um keine Störung des Magnetfelds zu verursachen,
und kreisförmig
um das Fühlelement
und den Magneten herum angeordnet werden, um eine Baugruppe mit einem
optimalen kleinen Durchmesser beizubehalten. Zum Einkapseln der
Anordnung kann ein Ausformprozess Verwendung finden, der für die zylindrische
Endform sorgt und der Anordnung eine hermetische Abdichtung und
Schutz gegenüber
einer rauen Umgebung gibt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung wird auf die folgende ins Einzelne gehende Beschreibung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die
verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung zeigen und in denen
-
1 eine
perspektivische Teilansicht ist, die einen Sensor mit einer äußeren Einkapselung zeigt,
wobei der Sensor zu einem Ziel gerichtet ist,
-
2 eine
Teilseitenansicht eines Sensors ist, der zur Beschreibung von Position,
Form und Verbindung der Bauelemente ohne innere oder äußere Umkapselung
dargestellt ist,
-
3 eine
Teildraufsicht auf den Sensor ohne äußere Einkapselung ist, wobei
die Elementausrichtung beispielsweise dargestellt ist,
-
4 eine
perspektivische Ansicht eines leitenden Stifts ist, der beispielsweise
bei den hier beschriebenen Ausführungsformen
zweckmäßig einsetzbar
ist,
-
5 eine
alternative Ausgestaltung für
die Formgebung der leitenden Stifte zeigt,
-
6 eine
perspektivische Teilansicht eines Sensors ist, die eine andere Stiftanordnung
zeigt, und
-
7 eine
Teilseitenansicht des Sensors mit aufgebrachter innerer Einkapselung
ist.
-
Ins Einzelne gehende Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in vielen anderen Formen ausgeführt werden
und soll nicht als begrenzt auf die hier aufgeführten Ausgestaltungen ausgelegt
werden. Vielmehr sind diese Ausgestaltungen so vorgesehen, dass
diese Offenbarung umfangreich und vollständig ist und den Rahmen der
Erfindung für
den Fachmann voll abdeckt. Gleiche Zahlen beziehen sich durchgehend
auf gleiche Elemente, während
ein Apostroph verwendet wird, um gleiche Elemente in unterschiedlichen
Ausführungsformen
zu kennzeichnen.
-
Beispielsweise
weisen mechanische Systeme, wie Brennkraftmaschinen, gewöhnlich eine
beträchtliche
Anzahl von sich bewegenden Teilen auf. Beispielsweise gibt es in
Dieselmotoren gewöhnlich mehrere
Zylinder, die Einspritzdüsen
verwenden, von denen jede ein sich bewegendes Ventil oder ein anderes
Teil hat, das für
einen effizienten oder sicheren Betrieb überwacht werden muss. Jede
Einspritzdüse erfordert
einen gesonderten Sensor, der mit einem entfernt liegenden Monitorsystem
verdrahtet ist. Unter Bezugnahme auf 1 wird hier
zunächst
ein Sensor 10 beispielsweise für die Überwachung eines sich bewegenden
Teils 12 beschrieben, beispielsweise eines Teils der vorstehend
genannten Einspritzdüse,
wobei der Sensor ein Gehäuse 14 hat,
das in gewünschter
Weise geformt ist und in welchem seine Funktionskomponenten abgedichtet
angeordnet sind. Es ist erwünscht,
dass sich große
isolierte Drähte 16, 18 (mit
kleinem Durchmesser) von einem hinteren Teil des Gehäuses 14 aus
erstrecken, damit der Sensor zweckmäßig und effektiv nahe an dem
Objekt 12 angeordnet werden kann. Bei dem hier beschriebenen
Beispiel kann der Sensor 10 ein Gehäuse 14 mit zylindrischer
Form zur Anordnung innerhalb einer zylindrischen Bohrung in einem
Motorblock haben.
-
In 2 ist
eine Ausrichtung und Ausgestaltung des Sensors 10 nach
der vorliegenden Erfindung dargestellt, der einen langgestreckten
Magneten 20 mit einer planaren oberen Fläche 22 an
einem proximalen Ende 24 hat. Die planare obere Fläche 24 ist
insgesamt senkrecht zu einer zentralen Achse 26 des langgestreckten
Magneten 20, die sich durch ein distales Ende 28 erstreckt.
Dazwischen verläuft
eine Seitenwand 30. Direkt an der flachen planaren oberen
Fläche 22 wird
eine Annäherungserfassungsschaltung 32 getragen.
Wie in 3 gezeigt ist, hat die Annäherungserfassungsschaltung 32 wenigstens zwei
Bondkontaktstellen 34, 36 für einen elektrischen Anschluss.
Längs der
zentralen Achse 26 ist ein Fühlelement 38 fluchtend
ausgerichtet, um unabhängig
von einer Drehung um die zentrale Achse 26 ein erwünschtes
Sensorausgangssignal zu erhalten. Insgesamt parallel zur zentralen
Achse erstrecken sich in einer Abstandsbeziehung 44 zur
Seitenwand 30 des Magneten 20 wenigstens zwei
nicht-magnetische
elektrisch leitende langgestreckte Stifte 40, 42. Jeder
der Stifte 40, 42 hat ein proximales Ende 46 in der
Nähe einer
jeden der beiden Bondkontaktstellen 34, 36 sowie
eine dazwischen befindliche Drahtverbindung 48. Ein distales
Ende 50 der Stifte hat einen abgesetzten Abschnitt 52, 54,
der sich um das distale Ende 28 des Magneten herum und
nach innen zur zentralen Achse 26 erstreckt. Die vorstehend
beschriebenen isolierten leitenden Drähte 16, 18 sind mit
jedem der abgesetzten Abschnitte 52, 54 verbunden.
Wenigstens ein Teil 56 der Drähte 16, 18 erstreckt
sich von dem Magneten weg insgesamt längs der zentralen Achse 26.
Wie unter Bezug auf 2 gezeigt ist, ist die Umfangsabmessung
eines jeden abgesetzten Abschnitts 52, 54 größer als
eine Umfangsabmessung eines jeden langgestreckten Stiftteils 40A, 42A,
die sich insgesamt längs
der Achse 26 erstreckt, so dass für jeden isolierten Draht 16, 18 eine
Verbindung 58 mit kleinerem Drahtdurchmesser möglich ist.
-
Bei
der hier beschriebenen beispielsweisen Ausführungsform hat die Annäherungserfassungsschaltung 32 einen
Sensorchip, der so ausgerichtet ist, dass das Fühlelement 38 in die
Richtung der Sensorfläche 60 und
somit das Objekt 12 längs
der zentralen Achse 26 ausgerichtet ist, wie es in 1 bis 3 gezeigt
ist. Der Sensorchip 32 kann an dem Magneten 20 mit
thermisch leitendem Epoxid befestigt sein. Die Größe, Form
und Position des Magneten 20 ist so beschaffen, dass er
ein maximales Magnetfeld für
das Fühlelement 38 liefert.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform
wird zwischen dem Magneten 20 und dem Sensorchip 32 kein
Haltesubstrat verwendet. Dies verringert die Baugruppenlänge und
sorgt für
ein maximales Magnetfeld an dem Fühlelement 38 und dem
Objekt (ein Ziel) 12. Um, falls erforderlich, einen Kurzschluss
zu verhindern, kann auf den Magneten 20 eine Beschichtung
aufgebracht werden, um ihn gegenüber
dem Sensorchip 32 oder anderen Bauelementen zu isolieren.
-
Die
leitenden Stifte 40, 42 werden dazu verwendet,
um den isolierten Drähten 16, 18 das
Sensorchip-Ausgangssignal zu liefern. Bei der hier beschriebenen
Ausführungsform
sind die Stifte 40, 42 aus einem nicht-magnetischen
Material hergestellt, so dass während
der Montage der Sensorbauteile der Magnet 20 die Stifte
nicht aus ihrer Position bewegt oder den Magneten dazu bringt, sich
außer
Position zu bringen. Zusätzlich
beeinträchtigen
die Stifte 40, 42 das Magnetfeld des Magneten 20 nicht
und verursachen keine Unterbrechung des Magnetfelds, was die Sensorempfindlichkeit
und den Messbereich verringern würde.
-
Wie
in 2 und 4 gezeigt ist, ist eine Drahtverbindungsfläche 62 des
Stifts eben, so dass die Drahtverbindung 48 unter Verwendung
von Standarddrahtverbindemethoden hergestellt werden kann, beispielsweise
durch thermische Kompression. Diese Stift-Drahtfläche 62 liegt
in der gleichen Ebene wie die Sensorchip-Bondkontaktstellen 34, 36,
so dass die Drahtverbindungen zur Erzielung einer reduzierten Baugruppenlänge und
zur Steigerung der Sensorempfindlichkeit und unter Geringhaltung
der Drahtschleifengröße zur Reduzierung
des Potenzials einer Drahverbindungsstörung klein sind.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, verlaufen die leitenden Stifte 40, 42 längs der
Seite des Magneten 20 und enden hinter dessen distalem
Ende 28 so, dass der Gesamtbaugruppenumfang (Durchmesser
für die zylindrische,
hier beispielsweise beschriebene Ausführungsform) auf ein Mi nimum
optimiert gehalten wird. Wie vorstehend gezeigt, werden die Stifte 40, 42 dazu
verwendet, eine Verbindung zwischen der Annäherungserfassungsschaltung 32 mit
den isolierten Drähten 16, 18 über die
Drahtverbindungen 48 zu sorgen.
-
Bei
einer anderen Ausgestaltung, wie sie in 5 gezeigt
ist, können
die Stifte 40, 42 zu den längs der zentralen Achse 26 versetzten
Abschnitten 52, 54 für eine Anschluss der isolierten
Drähte 16, 18 daran
ausgerichtet sein. Die abgesetzten Abschnitte 52, 54 können auch
außermittig
sein, so dass der größte isolierte
Draht 16, 18 eingesetzt werden kann, während der
Sensorumfang auf einem Minimum gehalten wird. Die Stift-Versetzungsausgestaltung
ermöglicht
es, dass die äußeren Anschlussdrähte für die Stromtransportleistung
einen maximalen Durchmesser haben. Durch Versetzen der Stifte kann
ein größerer versetzter
Stiftabschnitt und somit ein stärkerer
isolierter Draht verwendet werden. Wie in 6 gezeigt
ist, können
zusätzliche
leitende Stifte 64 um die zentrale Achse 26 herum
versetzt angeordnet werden, ohne dadurch die Sensorbaugruppengröße zu erhöhen.
-
Bei
den in Bezug auf 6 und 7 beschriebenen
beispielsweisen Ausgestaltungen wird eine innere Einkapselung 66 verwendet,
um den Magneten 20 und die Stifte 40, 42 (vorher
unter Bezug auf 2 beschrieben) an Ort und Stelle
festzulegen. Die innere Einkapselung 66 sorgt auch für eine Isolationsbarriere
zwischen den leitenden Stiften 40, 42 und dem
Magneten 20 zur Unterbindung eines elektrischen Kurzschlusses
zwischen ihnen. Zusätzlich
hat die Einkapselung 66 Ausrichtelemente 68, 70 für eine strukturelle
Abstützung
des Bereichs um die leitenden Stifte 40, 42 herum
und für
eine Ausrichtung in einer Form 72, wie es unter Bezug auf 3 gezeigt
ist, zur Anbringung einer äußeren Einkapselung 74.
Die Form 72 kann als Außenmantel in Form des Gehäuses 14 verbleiben,
kann aber auch entfernt werden, so dass der äußere Mantel die Außenfläche der äußeren Einkapselung
ist, wie es erwünscht
sein kann, um den Anforderungen des Sensoreinsatzes zu genügen. Die
Ausrichtelemente 68, 70 ergeben wenigstens eine
Zwei-Achsen-Einspannung, die gewährleistet,
dass der Sensorchip 32 und der Magnet 20 in dem
Sensor 10 längs
der zentralen Achse 26 während des Anbringens der äußeren Umkapselung 74 zentriert
bleiben. Wie vorher beschrieben, zeigt 6 eine andere
Ausgestaltung, in der ein weiterer Stift 64 hinzugefügt ist.
-
Gemäß 1 kann
die äußere Einkapselung 74,
die die gesamte Anordnung umschließt, wie sie unter Bezug auf 6 und 7 beschrieben
ist, eine zylindrische Form haben oder, wie beschrieben, die zentrale
Achse 26 als Bezug beibehalten. Diese äußere Einkapselung 74 ver bindet
sich mit der inneren Einkapselung 66 derart, dass eine
Verbindung geschaffen wird, die so stark wie eine Einkapselung ohne
eine Verbindung ist, was für
eine extrem starke Sensorbaugruppe mit hervorragendem Widerstand gegen
extreme Umweltbedingungen und industrielle Fluide sorgt.
-
Der
Fachmann, der den Nutzen der Lehren hat, die in der vorstehenden
Beschreibung und den zugehörigen
Zeichnungen dargelegt sind, kommt auf viele Modifizierungen und
andere Ausgestaltungen der Erfindung. Deshalb ist natürlich die
Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausgestaltungen
beschränkt
und diese Modifizierungen und Ausführungsformen sollen innerhalb
des Rahmens der beiliegenden Ansprüche eingeschlossen sein.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
In
einer Baugruppe mit kleinem Durchmesser wird ein Annäherungssensor
gehalten, der einen Magneten zur Bereitstellung eines gewünschten
Magnetfelds zum Wirksamwerden einer Annäherungserfassungsschaltung
hat, der längs
seiner zentralen Achse angeordnet ist, um ein maximales Sensorausgangssignal
ohne Veränderung
aufgrund eines relativen Drehwinkels zwischen dem Sensor und einem zu überwachenden
Ziel zu ermöglichen.
In der Nähe der
zentralen Achse haben elektrische Kontaktstifte einen abgesetzten
Abschnitt, der es ermöglicht,
dass ein isolierter Draht mit gewünschtem kleinen Durchmesser
mit dem Sensor verbindbar ist.