DE19841960C1 - Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln mit einem eine Drehwelle umgebenden Stator, umfassend zumindest ein die Drehwelle aufnehmendes Gehäuseteil sowie ein demselben zugeordnetes Substrat mit mindestens einer konzentrisch zur Drehwelle liegenden, elektrisch leitfähigen Schleifbahn, und einem mit der Drehwelle verbundenen, mindestens einen mit der Schleifbahn kooperierenden, federnd ausgeführten Schleifkontakt tragenden, bezüglich des Stators drehbeweglich gelagerten Rotor vorgeschlagen. DOLLAR A Bei einem solchen Sensor soll das technische Problem gelöst werden, die drehbewegliche Lagerung des Rotors bezüglich des Stators einfach, zuverlässig und kostengünstig auszuführen. DOLLAR A Dies gelingt dadurch, daß als dem Rotor zugeordnete, axiale Lagerflächen des Stators zum einen eine kreisringförmige Anlagefläche in einem Gehäuseteil und zum anderen eine umlaufende Zone einer zu diesem Zweck radial weiter ausgedehnten Schleifbahn auf dem Schaltungssubstrat verwendet werden.

Description

Die Erfindung geht von einem Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln mit einem eine Drehwelle umgebenden, ein Gehäuseteil sowie ein demselben zugeordnetes Substrat mit einer konzentrisch zur Drehwelle liegenden, elektrisch leitfähigen Schleifbahn aufweisenden Stator und einem mit der Drehwelle verbundenen einen mit der Schleifbahn kooperierenden Schleifkontakt tragenden Rotor aus, wobei der Rotor bezüglich des Stators drehbeweglich gelagert ist.

Solche Drehwinkelsensoren werden z. B. zur Erfassung der Position von Stellelementen eingesetzt. Dabei sind die mit einem solchen Drehwinkelsensor in Verbindung stehenden Stellelemente z. B. für die motorische Verstellung von in Kraftfahrzeugen angeordneten Klappen, Schiebern, Ventilen usw. vorgesehen. Außerdem sind solche Drehwinkelsensoren oftmals auch der Lenkungsanlage eines Kraftfahrzeuges zugeordnet, wobei über diese der Lenkwinkel sowie die Winkeländerungsgeschwindigkeit z. B. zur Fahrdynamikregelung erfaßt werden. Wegen der dabei oft notwendigen, genauen Positionserfassung der Stellelemente bzw. des Lenkwinkels und der Winkelgeschwindigkeit werden an das Auflösungsvermögen eines solchen Drehwinkelsensors hohe Anforderungen gestellt.

Ein Drehwinkelsensor der genannten Art ist durch die DE 40 40 331 A1 bekanntgeworden. Bei diesem potentiometrischen Drehwinkelsensor ist in einem Sensorgehäuse eine mehrere Schleifkontakte aufweisende Rotorscheibe und eine am Sensorgehäuse fixierte, mehrere Schleifbahnen aufweisende Statorscheibe angeordnet. Die Rotorscheibe und die Statorscheibe sind mit Abstand parallel zueinander so ausgerichtet, daß die Schleifkontakte der Rotorscheibe kontaktgebend in Art einer Brücke an den Schleifbahnen der Statorscheibe zur Anlage kommen.

Darüberhinaus ist durch die WO 97/22847 A2 ein Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln bekannt, mit einem eine Drehwelle umgebenden Stator, umfassend ein die Drehwelle aufnehmendes Gehäuseteil sowei ein demselben zugeordnetes Substrat mit konzentrisch zur Drehwelle liegenden, elektrisch leitfähigen Schleifbahnen, und mit einem Schleifkontakte tragenden drehbeweglich gelagerten Rotor, wobei die über zwischengefügte Abstandsscheiben mit dem Rotor kooperierenden axialen Lagerflächen des Stators einerseits durch einen konzentrisch zur Drehwelle verlaufenden Bereich des Gehäuseteils und andererseits durch eine auf dem Substrat vorhandene Vertiefung gebildet sind.

Bei solchen Drehwinkelsensoren besteht allgemein das Problem, den Rotor gegenüber dem Stator drehbeweglich so zu lagern, daß in allen Toleranzlagen eine sichere Kontaktgabe zwischen den Schleifbahnen des Stators und den Schleifkontakten des Rotors gegeben ist. Die Ausführung der dazu verwendeten Lagerungen ist mechanisch aufwendig und somit kostspielig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen, potentiometrischen Drehwinkelsensor verfügbar zu machen, bei dem die Realisierung einer derartigen Lagerung einfach, zuverlässig und kostengünstig erfolgt.

Dies gelingt dadurch, daß als axiale Lagerflächen des Stators zum einen eine kreisringförmige Anlagefläche in einem Gehäuseteil und zum anderen eine umlaufende Zone einer zu diesem Zweck radial weiter ausgedehnten Schleifbahn auf dem Schaltungssubstrat verwendet werden.

Ein Vorteil dieser Anordnung gegenüber Ausführungsformen, bei denen die axialen Lagerflächen des Stators durch zwei Gehäuseteile gebildet werden, die das Substrat mit den Schleifbahnen aufnehmen, besteht auch in der kürzeren Toleranzkette für die Axialtoleranz.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und gehen auch aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels hervor.

Dabei zeigt:

Fig. 1: eine Darstellung des Drehwinkelsensors, senkrecht zur Drehachse geschnitten und eine Ausschnittvergrößerung aus dieser Darstellung

Wie in Fig. 1 zu sehen, besteht der Stator des Drehwinkelsensors aus einem durch eine Drehwelle umgebende Gehäuseteile 1 und 4 gebildeten Sensorgehäuse, in dem sich ein von einer Leiterplatte gebildetes Substrat 5 befindet, auf dessen Oberseite in diesem Falle zwei konzentrisch zur Drehwelle verlaufende Schleifbahnen 6 und 7 aufgebracht sind. Die Leiterplatte 5 kommt dabei mit ihrer Oberseite an mehreren Stellen an Rippen 2 im Gehäuseoberteil 1 zur Anlage und wird vom Gehäuseunterteil 4 gegen diese gedrückt, so daß sie sich in einer genau definierten Lage befindet. Die Schleifbahnen 6, 7 sind als elektrisch leitfähige Polymerschichten ausgeführt und können z. B. in einem Siebdruck-Verfahren auf die Leiterplatte 5 aufgebracht werden.

Der Rotor besteht aus einem zylindrischen, zur Aufnahme der Drehwelle bestimmten Hohlkörper 8, der einstückig mit einer zu diesem konzentrischen Trägerscheibe 9 ausgeführt ist, die ihrerseits als sog. Vieldrahtschleifer ausgeführte, federnde Schleifkontakte 10 und 11 trägt und diese in Kontakt mit den darunterliegenden Schleifbahnen 6 und 7 hält.

Wichtig für eine gute Kontaktgabe ist dabei, daß die Schleifkontakte 10 und 11 mit einer definierten, in einem festgelegten Bereich liegenden Kraft gegen die Schleifbahnen 6 und 7 gedrückt werden. Um dies zu gewährleisten, ist für den Abstand zwischen den Schleifbahnen und der Trägerscheibe 9 die Einhaltung exakter Grenzen, die sich aus der Federkennlinie der Schleifkontakte ergeben, erforderlich, und zwar über alle auftretenden Toleranzen sowie über die gesamte Lebensdauer des Sensors hinweg.

Die Einhaltung eben dieser Grenzen erheblich zu vereinfachen, ist ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung. Die axiale Beweglichkeit der Trägerscheibe 9 gegenüber der Leiterplatte 5 ist nämlich nach oben durch Anlage ihrer Oberseite an einem Kragen 3 des Gehäuseoberteils begrenzt, nach unten wird sie durch die Auflage axialer Fortsätze 12 auf einer eine Zone 6' bildenden, radialen Erweiterung der Schleifbahn 6 begrenzt.

Die die Schleifbahn erweiternde Zone sowie die dieser zugeordneten, axialen Fortsätze 12 können sich sowohl - wie dargestellt - am Außenumfang der Anordnung als auch weiter innen befinden, wobei sich die axialen Fortsätze je nach den sonstigen mechanischen Anforderungen über Teile oder auch den gesamten Umfang der Trägerscheibe erstrecken und somit ggf. auch einen umlaufenden Kragen bilden können.

Die Schleifbahn 6, die ursprünglich nur elektrische Funktionen zu erfüllen hatte, ist speziell zu dem Zweck, als mechanisches Gegenlager zu dienen, in radialer Richtung um die Zone 6' erweitert, da das bei ihr zum Einsatz kommende, elektrisch leitfähige Polymer-Material wesentlich bessere Gleiteigenschaften besitzt als das gewöhnlich als Substrat verwendete, glasfaserverstärkte Leiterplattenmaterial.

Da es sich hier bei beiden axialen Lagerstellen um Gleitlager handelt, wählt man vorteilhafterweise die einzusetzenden Kunststoffe so aus, daß der Werkstoff der Trägerscheibe sowohl gegenüber dem Werkstoff des Gehäuseoberteils als auch gegenüber dem der Schleifbahn möglichst gute Gleiteigenschaften besitzt. In der Praxis haben sich hier z. B. die thermoplastischen Werkstoffe POM für die Trägerscheibe und PBT für das Gehäuseoberteil als besonders geeignet erwiesen.

Vorteilhaft ist es auch, bei den axialen Fortsätzen 12 der Trägerscheibe eine geringe Überlänge im Neuzustand vorzusehen, die als sog. Verschleißreserve dient und während des Betriebs durch Abrieb verbraucht wird. Dadurch kann eine zumindest teilweise Kompensation der sich im Laufe der Zeit ebenfalls durch Verschleiß einstellenden Verkürzung der federnden Schleifkontakte erreicht werden.

Zur Erzielung einer kompakten Baueinheit ist es vorteilhaft, elektronische Bauelemente, die zur Realisierung einer Ansteuerschaltung für den Drehwinkelsensor eingesetzt werden, auf dem gleichen Substrat wie die Schleifspuren anzuordnen. Dies kann z. B. auf der Rückseite des Substrats erfolgen, wobei dann die Schleifspuren mittels Durchkontaktierungen durch das Substrat hindurch elektrisch mit der Schaltung verbunden werden.

Claims (11)

1. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln mit einem eine Drehwelle umgebenden Stator, umfassend zumindest ein die Drehwelle aufnehmendes Gehäuseteil (1) sowie ein demselben zugeordnetes Substrat (5) mit mindestens einer konzentrisch zur Drehwelle liegenden, elektrisch leitfähigen Schleifbahn (6), und einem mit der Drehwelle verbundenen, mindestens einen mit der Schleifbahn (6) kooperierenden, federnd ausgeführten Schleifkontakt (10) tragenden, bezüglich des Stators drehbeweglich gelagerten Rotor (8 und 9), wobei die dem Rotor (8 und 9) zugeordneten axialen Lagerflächen des Stators einerseits durch einen konzentrisch zur Drehwelle verlaufenden Bereich (3) des Gehäuseteils (1) und andererseits durch eine umlaufende Zone (6') der auf dem Substrat (5) vorhandenen, kreisringförmigen Schleifbahn (6) gebildet sind.

2. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Gehäuseteil (1) vorhandene, konzentrisch zur Drehwelle verlaufende eine axiale Lager-Bereich an einem kreisringförmigen Kragen (3) des Gehäuseteils (1) vorgesehen ist, der sich auf der der Schleifbahn abgewandten Oberfläche der konzentrisch die Drehwelle umgebenden, im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) abstützt.

3. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem auf der am Substrat (5) vorhandenen Schleifbahn (6) vorgesehenen, anderen axialen Lager-Bereich (6') an der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) axiale Fortsätze (12) zugeordnet sind.

4. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) vorhanden axialen Fortsätze (12) sich am Außenumfang der Trägerscheibe (9) befinden.

5. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) vorhanden axialen Fortsätze (12) einen umlaufenden Ring bilden.

6. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei den an der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) vorhanden axialen Fortsätzen (12) eine Verschleißreserve vorgehalten ist.

7. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Schleifbahn (6) aus einer elektrisch leitfähigen Polymerschicht besteht.

8. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (1) und der Rotor (8, 9) aus verschiedenen, gegeneinander gute Gleiteigenschaften aufweisenden, thermoplastischen Kunststoffen bestehen.

9. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) auch die eine Ansteuerschaltung für die mindestens eine Schleifbahn (6) bildenden Elektronikkomponenten aufnimmt.

10. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) als metallkaschierte Leiterplatte ausgeführt ist.

11. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine, federnd ausgeführte Schleifkontakt (10) aus einer Vielzahl einzelner, feiner Drähte gebildet ist.