DE19946095C1 - 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 mindestens einen mit der Schleifbahn kooperierenden, federnd ausgeführten Schleifkontakt tragenden, bezüglich des Stators drehbeweglich gelagerten Rotor vorgeschlagen, bei dem 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. DOLLAR A Bei einem solchen Sensor soll das technische Problem gelöst werden, Ausführungsformen zur Verfügung zu stellen, bei denen bei beiden Lagerpartnern praktisch kein Verschleiß auftritt, und die deshalb insbesondere für Anwendungen, die mit besonders hohen Anforderungen an die Zahl der möglichen Stellungswechsel verbunden sind, geeignet sind. DOLLAR A Dies gelingt dadurch, daß der auf der am Substrat vorhandenen Schleifbahn als axialer Lagerbereich vorgesehenen, umlaufenden Zone zumindest drei in axialer Richtung aus der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe des Rotors hervorstehende Metallkugeln zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung geht von einem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs konzipierten, den Gegenstand des Hauptpatents 198 41 960 bildenden Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln aus.

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 im Hauptpatent 198 41 960 vorausgesetzten 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.

Darüber hinaus 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 sowie 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.

Die Aufgabe, einen solchen, potentiometrischen Drehwinkelsensor verfügbar zu machen, bei dem die Realisierung einer derartigen Lagerung einfach, zuverlässig und kostengünstig erfolgt, wird durch den im Hauptpatent 198 41 960 beschriebenen Gegenstand gelöst, indem 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.

Die im Hauptpatent angegebenen Ausführungsformen gehen davon aus, daß die mit der als Gleitlagerfläche fungierenden, umlaufenden Zone der Schleifbahn auf dem Schaltungssubstrat kooperierenden rotorseitigen Lagerpunkte bzw. -flächen durch axiale Fortsätze der i. a. aus Kunststoff bestehenden Trägerscheibe des Rotors bestehen. Während bei einer solchen Lagerpaarung an der Schleifbahn praktisch kein Verschleiß auftritt, erfolgt an den axialen Fortsätzen der Trägerscheibe ein mehr oder weniger großer Materialabtrag, der je nach Konstruktion in Kauf genommen wird oder sogar erwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Ausführungsformen zur Verfügung zu stellen, bei denen bei beiden Lagerpartnern praktisch kein Verschleiß auftritt, und die deshalb insbesondere für Anwendungen, die mit besonders hohen Anforderungen an die Zahl der möglichen Stellungswechsel verbunden sind, geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst, indem der auf der am Substrat vorhandenen Schleifbahn als axialer Lagerbereich vorgesehenen, umlaufenden Zone zumindest drei in axialer Richtung aus der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe des Rotors hervorstehende Metallkugeln zugeordnet sind.

Vorteilhaft ist es dabei, als Metallkugeln für den Einsatz in Kugellagern vorgesehene Stahlkugeln zu verwenden, da diese einerseits, was ihre Härte und Oberflächenbeschaffenheit angeht, für den hier beschriebenen Verwendungszweck hervorragende Eigenschaften aufweisen und andererseits in der jeweils gewünschten Größe und bei geringen Kosten leicht verfügbar sind.

Die Befestigung der Kugeln an der Trägerscheibe des Rotors erfolgt bevorzugt durch eine stoffschlüssige, z. B. mittels einer Klebung in entsprechende Vertiefungen der Trägerscheibe erzielte Verbindung oder durch eine formschlüssige Verbindung, die durch direktes Umspritzen der Metallkugeln mit dem thermoplastischen Grundmaterial der Trägerscheibe erzielt wird.

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 Schleifbahnen anzuordnen. Dies kann z. B. auf der Rückseite des Substrats erfolgen, wobei dann die Schleifbahnen mittels Durchkontaktierungen durch das Substrat hindurch elektrisch mit der Schaltung verbunden werden.

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.

Wie in der Zeichnung, die eine Darstellung des Drehwinkelsensors, senkrecht zur Drehachse geschnitten und eine Ausschnittvergrößerung aus dieser Darstellung zeigt, 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 dreier, in axialer Richtung aus der Trägerscheibe 9 hervorstehender Metallkugeln 12 auf einer eine Zone 6' bildenden, radialen Erweiterung der Schleifbahn 6 begrenzt. Die die Schleifbahn erweiternde Zone 6' sowie die dieser zugeordneten Metallkugeln 12 können sich sowohl - wie dargestellt - am Außenumfang der Anordnung als auch weiter innen befinden, wobei die drei Metallkugeln 12 unter Berücksichtigung der sonstigen mechanischen Anforderungen möglichst gleichbeabstabstandet über den Umfang der Trägerscheibe 9 angeordnet sind. 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.

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) gemäß Hauptpatent 198 41 960 gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der am Substrat (5) vorhandenen Schleifbahn (6) als axialer Lagerbereich vorgesehenen, umlaufenden Zone (6') zumindest drei in axialer Richtung aus der im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) hervorstehende Metallkugeln (12) zugeordnet sind.

2. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln (12) aus Stahl bestehen.

3. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln (12) im Bereich des Außenumfangs der Trägerscheibe (9) angebracht sind.

4. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln (12) mit der Trägerscheibe (9) stoffschlüssig verbunden sind.

5. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln (12) mit der Trägerscheibe (9) formschlüssig verbunden sind.

6. Sensor zur Erfassung von Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der am Gehäuseteil (1) vorhandene, konzentrisch zur Drehwelle verlaufende axiale Lager-Bereich an einem kreisringförmigen Kragen (3) des Gehäuseteils (1) vorgesehen ist, der sich auf der der Schleifbahn (6) abgewandten Oberfläche der konzentrisch die Drehwelle umgebenden, im wesentlichen flach ausgeführten Trägerscheibe (9) des Rotors (8 und 9) abstützt.

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 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine, federnd ausgeführte Schleifkontakt (10) aus einer Vielzahl einzelner, feiner Drähte gebildet ist.