ES2882327T3

ES2882327T3 - Cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par

Info

Publication number: ES2882327T3
Application number: ES17752027T
Authority: ES
Inventors: Christoph Schanz; Dieter Zeisel
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: EP3488207B1; DE102016122172B4; DE102016122172A1; EP3488207A1; WO2018019859A1; CN109661565A; US20190187008A1

Abstract

Cabezal (10) de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo (9) ferromagnético, que comprende: una unidad (14) de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético y una unidad (16) de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético, presentando la unidad (14) de generación de campo magnético una bobina (18) de excitación y un elemento (20) de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando, presentando la unidad (16) de medición de campo magnético varias bobinas (22) de medición con un elemento (24) de amplificación de flujo de medición magnéticamente blando, estando al menos la bobina (18) de excitación y las bobinas (22, 22a-22d) de medición integradas en un elemento (26) de placa de circuito impreso común o un elemento (28) constituyente SMEM, estando la bobina (18) de excitación y las bobinas (22, 22a-22d) de medición construidas a partir de bobinas planas, las cuales están configuradas en una capa (38) conductiva del elemento (26) de placa de circuito impreso o del elemento (28) constituyente SMEM, estando dispuestas, en un plano en la capa (38) conductiva, una bobina plana para crear una parte de una primera bobina (22a) de medición y una bobina plana para crear una parte de una segunda bobina (22b) de medición y una bobina plana para crear una parte de una bobina (18) de excitación, y estando dispuestas varias capas conductivas de este tipo con varias bobinas planas con capas intermedias aislantes para crear paquetes de bobinas, las cuales forman la primera bobina (22, 22a) de medición y la segunda bobina (22, 22b) de medición y la bobina (18) de excitación.

Description

DESCRIPCIÓN

Cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par

La invención se refiere a un cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo ferromagnético.

Los sensores de fuerza o sensores de par magnetoelásticos son conocidos, por ejemplo, a partir del documento US 2 912642, del documento DE 3031 997 A1 o del documento US 4503714 o a partir del documento EP 0136086 A2. Otros sensores de fuerza o de par magnetoelásticos se describen en el documento EP 2397 829 B1 o en el documento EP 2615422 B1.

En los sensores de este tipo, la medición de fuerza o medición de par tiene lugar por medio del efecto magnetoelástico. Los materiales magnéticos muestran una interacción entre sus propiedades magnéticas y mecánicas. De esta manera, las líneas de campo magnético de un campo magnético, el cual se induce en un cuerpo ferromagnético, varían mediante cargas del cuerpo.

Los sensores magnetoelásticos presentan, por tanto, por lo general un dispositivo de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo ferromagnético y un dispositivo de medición para medir una variación de campo magnético bajo carga.

En este caso, hay esencialmente dos principios fundamentales para la construcción del respectivo cabezal de sensor.

En una primera construcción, como se muestra por ejemplo en el documento US 2912642, el campo magnético se genera en un yugo de campo magnético, el cual presenta bobinas de generación de campo magnético, estando dispuesto un yugo de medición con bobinas de medición en una dirección que se cruza con respecto al yugo de generación de campo magnético. En la segunda construcción posible, como se muestra en el documento DE 3031 997 o en el documento EP 0136086, ahí la Figura 9A, una bobina de excitación está dispuesta central alrededor de un núcleo de bobina de excitación, el cual se encuentra centrado entre polos magnéticos de la unidad de medición de campo magnético. Los núcleos pueden, en este caso, estar unidos mediante un material magnéticamente blando. En particular, la unidad de generación de campo magnético presenta un concentrador de flujo con un núcleo de excitación magnéticamente blando, el cual pasa a través de una bobina de excitación.

Los sensores magnetoelásticos muestran muy buenos resultados en el laboratorio. A pesar de que este principio de medición ya es conocido desde hace décadas, sin embargo, en la práctica apenas ha encontrado aplicación.

A partir del documento DE 10 2014 215 723 A1 es conocida una disposición de sensores con un transductor de fuerza y un elemento de sensor. El elemento de sensor tiene, de acuerdo con una configuración, varios elementos de amplificación de flujo en forma de U embebidos en un material de plástico, que están bobinados alrededor de las bobinas, que sirven como bobinas de excitación y de medición combinadas.

A partir del documento DE 19929864 A1 es conocido un cabezal de sensor producido con métodos de producción micromecánicos para un sensor de par, en el cual dos bobinas planas dispuestas una al lado de otra en un plano sirven como bobinas de excitación y, para la medición de campo magnético, están integrados componentes semiconductores sensibles al magnetismo.

A partir del documento DE 4309413 A1 es conocida una banda de medición de expansión magnetoelástica, en la cual se detecta una fuerza en una banda de expansión integrada de material magnetoelástico con ayuda de dos bobinas espirales aplicadas a presión sobre un material de soporte laminar.

Entre otros, a partir de los documentos DE 19928842 A1, DE 202014001 072 U1, DE 102012200195 A1, DE 10 2011 112826 A1, DE 102007062537 A1 y DE 102006025098 A1 son conocidas láminas ferríticas.

La invención tiene la misión de construir sensores de medición de fuerza según el principio magnetoelástico y sensores de medición de par, los cuales son producibles de forma más económica y son adecuados para diferentes aplicaciones prácticas.

Para ello, se propone un cabezal de sensor según la reivindicación 1, así como un método para la producción de un cabezal de sensor según la reivindicación 9.

Las configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones dependientes.

La invención proporciona, de acuerdo con un primer aspecto, un cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo ferromagnético, que comprende:

una unidad de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo ferromagnético y una unidad de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo ferromagnético,

presentando la unidad de generación de campo magnético una bobina de excitación y un elemento de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando,

presentando la unidad de medición de campo magnético varias bobinas de medición con un elemento de amplificación de flujo de medición magnéticamente blando,

estando integradas al menos la bobina de excitación y las bobinas de medición en un componente integrado común.

Una forma de realización de la invención proporciona un cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo ferromagnético, que comprende:

presentando la unidad de generación de campo magnético una bobina de excitación alrededor un núcleo de excitación magnéticamente blando,

presentando la unidad de medición de campo magnético varias bobinas de medición con un núcleo de medición magnéticamente blando,

estando integradas al menos la bobina de excitación y las bobinas de medición en un elemento constituyente integrado común.

De acuerdo con una alternativa de la invención, el elemento constituyente integrado es un elemento de placa de circuito impreso. De acuerdo con otra variante de la invención, el elemento constituyente integrado es un elemento constituyente SMEM.

De manera ventajosa, está previsto que las bobinas estén configuradas con tecnología de placas de circuito impreso en un elemento de placa de circuito impreso. Sin embargo, también son concebibles otras posibilidades para la construcción integral común de las bobinas en un elemento constituyente, como técnicas SMEM, técnicas de producción de semiconductores o métodos de producción aditivos.

En el caso del cabezal de sensor de acuerdo con la invención, las bobinas están construidas a partir de bobinas planas, las cuales están configuradas en una capa conductiva del elemento constituyente integrado. Varias capas conductivas provistas con bobinas planas están agrupadas, con correspondientes capas intermedias aislantes, a un paquete de bobinas.

En el caso del cabezal de sensor de acuerdo con la invención, para ello, en una capa conductiva está dispuesta una bobina plana para crear al menos una parte de una primera bobina de medición y en un plano está dispuesta una bobina plana para crear una segunda bobina de medición y/o una bobina de excitación. Mediante disposición de varias capas conductivas de este tipo con varias bobinas planas se construyen, al mismo tiempo, paquetes de bobinas para crear una primera bobina de medición y una segunda bobina de medición y una bobina de excitación, al mismo tiempo.

Hasta ahora, las bobinas están bobinadas de manera costosa y son uno de los mayores factores de costo para cabezales de sensor de este tipo. Con la invención se pueden ahorrar gasto de trabajo considerable y costos considerables mediante la producción integrada de las bobinas. Además, de esta manera, el cabezal de sensor, o al menos su unidad de bobina, se pueden producir en masa. La unidad de bobina puede estar construida muy compacta. De manera ventajosa se pueden realizar métodos de empaquetado para proteger el cabezal de sensor. En una alternativa con construcción en tecnología de placas de circuito impreso, se prevé un elemento de placa de circuito impreso, que presenta una capa conductiva y una capa de soporte formada por un aislante, después se crea al menos una bobina plana en la capa conductiva, p. ej., mediante técnicas litográficas. Varias placas de circuito impreso de este tipo se apilan en un paquete, pudiendo contactarse las capas conductivas individuales con las partes de bobina plana mediante vías. Los núcleos magnéticos se pueden configurar mediante formación de cavidades y llenado con material ferromagnético.

En una forma constructiva alternativa se construyen capas aislantes y estructuras conductivas para la creación de las bobinas por capas con técnicas de producción generativas y/o con técnicas conocidas a partir de la técnica de semiconductores para la construcción de circuitos integrados. La construcción tiene lugar aquí también, de modo que se aplican de forma estructurada capas conductivas en un plano común, de tal manera que se crean varias bobinas planas una al lado de otra para crear una primera bobina de medición y una segunda bobina de medición y una bobina de excitación. Varias capas de este tipo provistas con bobinas planas con capas aislantes entremedias se confeccionan en un paquete de bobinas. Esto puede tener lugar de forma generativa capa por capa, o se construyen placas individuales con al menos una capa conductiva con regiones de bobinas planas y una capa aislante y, después, se unen entre sí en un paquete. También aquí pueden darse pasos a través de las capas aislantes para la conexión eléctrica por medio de vías conductivas. Los núcleos magnéticos pueden aplicarse también mediante correspondiente aporte de material, p. ej., en la técnica de máscaras o a través de aporte de polvo y sinterizado por láser. Alternativamente se pueden crear cavidades y llenarse con materiales magnéticamente blandos.

Es preferido que los núcleos de medición de una primera bobina de medición y de una segunda bobina de medición estén conectados para la creación de un circuito magnético por medio de un yugo de material magnéticamente blando.

Es preferido que el yugo esté incrustado al menos parcialmente en el elemento constitutivo integrado o esté integrado dentro. En particular, el yugo está incrustado en el elemento de placa de circuito impreso o en el elemento constituyente SMEM.

Es preferido que el núcleo de excitación cree un concentrado de flujo, el cual está dispuesto como polo magnético central entre al menos dos bobinas de medición.

Es preferido que el núcleo de excitación esté en conexión de contacto con el yugo.

Es preferido que esté prevista al menos una lámina ferrítica.

Es preferido que la lámina ferrítica tenga un espesor de 0,1 mm a 3 mm, en particular 0,1 mm a 0,5 mm o 1 mm a 2 mm.

Es preferido que la lámina ferrítica este embebida en el componente integrado, es decir, el elemento de placa de circuito impreso o el elemento constituyente SMEM, y/o esté aplicada sobre el componente y/o esté aplicada, en particular pegada, sobre una placa de circuito impreso, en la cual están configuradas las bobinas.

Es preferido que la al menos una lámina ferrítica forme al menos una parte de uno de los elementos de amplificación de flujo magnéticamente blandos.

Es preferido que el núcleo de excitación y/o los núcleos de medición y/o el yugo esté formado mediante la al menos una lámina ferrítica.

Preferiblemente, el cabezal de sensor comprende un primer elemento constituyente integrado, en forma de un primer elemento de placa de circuito impreso o un primer elemento constituyente SMEM, en el que están previstas de forma integrada al menos la bobina de excitación y varias bobinas de medición, de tal manera que se crean varios polos magnéticos, y un segundo elemento constituyente integrado, en forma de un segundo elemento de placa de circuito impreso o un segundo elemento constituyente SMEM, en el cual al menos está incrustado o integrado un material magnéticamente blando para unir o crear elementos de amplificación de flujo magnéticamente blandos como, en particular núcleos de los polos magnéticos, estando el primer y el segundo elemento constituyente integrado unidos entre sí.

Preferiblemente, el cabezal de sensor comprende un circuito integrado con una electrónica de procesamiento de señales, que está dispuesta o enlazada o soldada o integrada dentro del elemento constituyente integrado, es decir, del elemento de placa de circuito impreso o del elemento constituyente SMEM.

En el cabezal de sensor de acuerdo con la invención, las bobinas integradas en el elemento constituyente presentan devanados, los cuales están formados mediante una espiral configurada en una capa conductiva del elemento constituyente.

En el cabezal de sensor de acuerdo con la invención, al menos una bobina de excitación, una primera bobina de medición y una segunda bobina de medición presentan devanados, los cuales están formados mediante una capa conductiva común del elemento constituyente integrado, en forma del elemento de placa de circuito impreso o del elemento constituyente SMEM.

Es preferido que el elemento constituyente integrado, como p. ej., el elemento de placa de circuito impreso o bien el elemento constituyente SMEM, con las bobinas integradas y los núcleos magnéticamente blandos esté recubiertos por extrusión mediante un polímero.

La invención aquí presente es adecuada para diferentes principios fundamentales para la construcción del sensor de par inclusive el tipo constructivo con yugos que se cruzan al igual que también el tipo constructivo con concentrador de flujo central.

De manera particularmente preferida, el cabezal de sensor de acuerdo con la invención presenta la construcción como se muestra en el documento DE 30 31 997 A1. Preferiblemente, para ello, están previstos un núcleo de excitación central y una pluralidad de pares de polos de medición. De manera particularmente preferida, están previstos al menos dos pares de polos de medición; sin embargo, el cabezal de sensor funciona también con tres polos magnéticos, por tanto, por ejemplo, un polo de excitación y dos polos de medición.

De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un método para la producción de un cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo ferromagnético, dicho cabezal de sensor comprende una unidad de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo ferromagnético y una unidad de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo ferromagnético, presentando la unidad de generación de campo magnético una bobina de excitación y un elemento de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando y presentando la unidad de medición de campo magnético una bobina de medición y un elemento de amplificación de flujo de medición magnéticamente blando, que comprende las alternativas:

a) provisión de al menos una placa de circuito impreso, estructuración de un capa conductiva de la placa de circuito impreso para configurar devanados de la bobina de excitación y de la bobina de medición, o b) configuración integrada de devanados de la bobina de excitación y de la bobina de medición mediante producción micromecánica y/o estructuración y/o métodos de producción aditivos.

Una configuración preferida de la invención proporciona un método para la producción de un cabezal de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo ferromagnético, dicho sensor comprende una unidad de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo ferromagnético y una unidad de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo ferromagnético, presentando la unidad de generación de campo magnético una bobina de excitación alrededor de un núcleo de excitación magnéticamente blando y presentando la unidad de medición de campo magnético una bobina de medición alrededor de un núcleo de polo magnético de medición magnéticamente blando, que comprende los pasos:

a) provisión de al menos una placa de circuito impreso y estructuración de una capa conductiva de la placa de circuito impreso para crear devanados de la bobina de excitación y de la bobina de medición, o b) configuración integrada de devanados de la bobina de excitación y de la bobina de medición mediante producción micromecánica y/o estructuración y/o mediante métodos de producción generativos.

Es preferido que el paso a) incluya: aplicación, en particular pegamiento, de al menos un lámina ferrítica sobre la placa de circuito impreso para crear los elementos de amplificación de flujo.

Preferiblemente, el método comprende el paso:

producción de al menos una lámina ferrítica en un proceso de troquelado.

Preferiblemente, el método comprende el paso:

proporcionar la al menos una lámina ferrítica con un espesor de 0,1 mm a 3 mm, en particular 0,2 mm a 2 mm o 0,1 a 0,5 mm y 1 mm a 2 mm.

Preferiblemente, el método comprende el paso:

proporcionar una lámina a partir de o con un óxido de hierro.

Preferiblemente, el paso a) comprende: embeber un material magnéticamente blando en la placa de circuito impreso para crear los núcleos o bien los elementos de amplificación de flujo.

Preferiblemente, el paso b) comprende: configuración integrada de devanados de la bobina de excitación y de la bobina de medición y de los elementos de amplificación de flujo magnéticamente blandos como, p. ej., los núcleos, mediante producción micromecánica y/o estructuración (SMEM) y/o mediante métodos de producción generativos. Preferiblemente, el método comprende:

provisión de una segunda placa de circuito impreso con un material magnéticamente blando almacenado para crear un circuito magnético con los elementos de amplificación de flujo (p. ej. núcleos) y unión de la primera placa de circuito impreso con los devanados y la segunda placa de circuito impreso, de tal manera que al menos tres polos magnéticos unidos magnéticamente entre sí con amplificadores de flujo magnético y formados al menos parcialmente mediante la capa conductiva de la primera placa de circuito impreso, se crean las bobinas asociadas a los elementos de amplificación de flujo.

Preferiblemente, el método comprende:

provisión de un chip con electrónica de procesamiento de señales y conexión eléctrica de contactos del chip con las bobinas para, de esta manera, crear un paquete de sensores.

Preferiblemente, el método comprende:

recubrir por extrusión mediante un material polimérico la placa de circuito impreso o el elemento constituyente SMEM integral, formado mediante producción micromecánica, con las bobinas y los elementos de amplificación de flujo.

Una configuración particular de la invención se refiere a un paquete de sensores que comprende un elemento de sensor (preferiblemente con bobinas y núcleo de ferrita) de medición magnético-inductivo que, preferiblemente, está integrado en una placa de circuito impreso (pcb = printed circuit board) y una electrónica de procesamiento de señales también integrada con el fin de una medición de fuerza o de par magnética, inductiva y sin contacto en un cuerpo ferromagnético. El paquete completo puede, en este caso, opcionalmente recubrirse por extrusión con un polímero o realizarse como “sistema a cuestas”.

Los paquetes de chips así obtenibles son muy atractivos debido a costos y potenciales aplicaciones masivas. Los campos de aplicación posibles son, p. ej., e-bicis, e-patinetes, motores eléctricos, vectorización de par y medición de otras fuerzas de flexión, de tracción, de presión.

De acuerdo con una configuración, el cabezal de sensor se produce con un método de empaquetado. Preferiblemente, se utilizan tecnologías como son conocidas para el empaquetado de componentes semiconductores. Aquí, se hace referencia explícitamente a Wikipedia, “Electronic packaging”, consultado el 25/07/2016 y Wikipedia, “Semiconductor packaging” e “Integrated circuit packaging” consultado el 25/07/2016.

De manera particularmente preferida, la unidad de generación de campo magnético, así como la unidad de medición de campo magnético, se implementa en un elemento constituyente integrado por medio de métodos de producción micromecánicos o por medio de tecnología de placas de circuito impreso.

En particular, las bobinas pueden producirse como bobinas de tipo disco en capas conductivas bien de manera aditiva o mediante retirada de material. En particular, se producen en forma de espiral devanados individuales; una mayor cantidad de devanados puede crearse mediante una conexión en serie de varias estructuras en espiral configuradas sobre diferentes planos.

De esta manera, se pueden apilar varias placas de circuito impreso con estructuras en espiral y conectarse entre sí mediante empalmes de paso. También se puede producir material magnéticamente blando para crear núcleos y yugos con el fin de generar circuitos magnéticos, como se muestran en la construcción fundamental en el documento US 2912642, el documento DE 3031997 A1, el documento US 4503714, el documento US 4646576 o el documento US 4697459, mediante métodos de producción micromecánicos y/o aditivos.

De manera particularmente preferida, un correspondiente cabezal de sensor producido mediante métodos de producción micromecánicos y/o aditivos incluye un paquete de sensores que incluye un circuito de conmutación integrado con una unidad de procesamiento de señales electrónica. Ésta puede, por ejemplo, estar configurada como ASIC.

A continuación, se explican más en detalle ejemplos de realización de la invención mediante los dibujos adjuntos. En ellos muestra:

La Figura 1, una representación en corte a través de un cabezal de sensor de acuerdo con una primera forma de realización;

la Figura 2, la representación en corte a través de un cabezal de sensor de acuerdo con una segunda forma de realización;

la Figura 3, una representación en corte a través de un cabezal de sensor de acuerdo con una tercera forma de realización;

la Figura 4, un corte a lo largo de la línea IV-IV de la Figura 3 y

la Figura 5, un corte a través de otra forma de realización de un componente para crear el cabezal de sensor; y

la Figura 6, una vista como en la Figura 5 que muestra el correspondiente elemento constituyente de la Figura 5 con la configuración de acuerdo con las formas de realización de la Figura 1 a la Figura 4.

Las figuras muestran diferentes formas de realización de un cabezal 10 de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo 9 ferromagnético.

El cabezal 10 de sensor está formado mediante un paquete 12 de sensores, el cual está construido mediante métodos de empaquetado. A continuación, tiene lugar la producción con métodos de producción micromecánicos (SMEM), producción aditiva o en tecnología de placas de circuito impreso. También son posibles combinaciones. El cabezal 10 de sensor comprende una unidad 14 de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo 9 ferromagnético y una unidad 16 de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo 9 ferromagnético.

La unidad 14 de generación de campo magnético presenta una bobina 18 de excitación y un elemento de amplificación de flujo. En las configuraciones de la Figura 1 a la Figura 4, la bobina 18 de excitación está prevista alrededor de un núcleo 20 de excitación magnéticamente blando, en la configuración de la Figura 5, para crear el elemento de amplificación de flujo en lugar del núcleo 20 de excitación o, en otras realizaciones no representadas, adicionalmente al núcleo 20 de excitación, está prevista al menos una lámina 42 ferrítica.

La unidad 16 de medición de campo magnético presenta varias bobinas 22 de medición, las cuales comprenden, respectivamente, un elemento de amplificación de flujo magnéticamente blando como, en particular, un núcleo 24 de medición o una región de al menos una lámina 42 ferrítica.

La bobina 18 de excitación y las bobinas 22 de medición están construidas de forma integrada en un elemento 26 de placa de circuito impreso común y/o elemento constituyente integrado, en particular elemento 28 constituyente SMEM.

En las figuras están representados ejemplos de realización del cabezal 10 de sensor con cinco polos 30 magnéticos en total, siendo un primer polo 30a magnético central parte de la unidad 14 de generación de campo magnético y presentando la bobina 18 de excitación y el elemento de amplificación de flujo de excitación como el núcleo 20 de excitación o una región de la al menos una lámina 42 ferrítica. El primer polo 30a magnético actúa como concentrado 32 de flujo para concentrar el flujo magnético generado por la bobina 18 de excitación en la superficie del objeto 9 de medición a ser medido.

Los otros polos 30b a 30e magnéticos son los polos de la unidad 16 de medición de campo magnético. En las formas de realización aquí representadas, la unidad 16 de medición de campo magnético presenta, respectivamente, dos pares 30b-30c, 30d-30e de polos magnéticos para medir los campos magnéticos en diferentes orientaciones. Otra forma de realización, aquí no representada más en detalle, son suficientes solo dos polos magnéticos de la unidad 16 de medición de campo magnético; aquí se han omitido el cuarto polo 30d magnético y el quinto polo 30e magnético.

En las formas de realización representadas en las Figura 1 a 4, todos los polos 30 magnéticos están provistos con núcleos, formando los núcleos del segundo a quinto polo magnético los núcleos 24 de medición y estando envueltos por las respectivas bobinas 22a a 22d de medición. El núcleo del primer polo 30a magnético es el núcleo 20 de excitación, el cual está envuelto por la bobina 22 de medición. Todos los núcleos 24, 20 están formados mediante material magnéticamente blando. Al menos los núcleos de los pares 30a-30b o 30c-30d de polos magnéticos de la unidad 16 de medición de campo magnético están unidos juntos a un yugo de material magnéticamente blando. El material magnéticamente blando está formado, en particular, mediante un núcleo 3 de ferrita.

En las formas de realización representadas en las Figura 1 a 4, todos los polos 30a-30e magnéticos están unidos mediante el núcleo 3 de ferrita; éste puede tener una forma en forma de taza o en forma de estrella, estando formados los núcleos 24 de medición o bien el núcleo 20 de excitación mediante partes saledizas que sobresalen conforme a una dirección, alrededor de los cuales están previstas las respectivas bobinas 22, 22a-22d.

Las bobinas 22, 22a-22d están configuradas como bobinas 6 integradas en el elemento constituyente integrado, por tanto, en particular en el elemento 26 de placa de circuito impreso o en el elemento 28 constituyente SMEM.

En particular, el elemento 26 de placa de circuito impreso presenta al menos una placa de circuito impreso (Printed Circuit Board, PCB abreviado), la cual presenta un soporte de material aislante y el menos una capa 38 conductiva. Como es evidente a partir de la Figura 4, la capa 38 conductiva está estructurada de tal manera que están configurados devanados 40 de las bobinas 6 integradas. Los devanados 40 están configurados, en particular en forma de espiral, estando configuradas almohadillas de contacto en los extremos, pasando una de las almohadillas de contacto a través de un empalme de paso a través de la capa aislante. Mediante apilado y conexión en serie de varias placas 36 de circuito impreso con los devanados 50 configurados conforme a forma en espiral, se pueden configurar las bobinas 6 integradas con una pluralidad de devanados 40.

Las espacios interiores centrales entre los devanados 40 pueden, p. ej., perforarse y llenarse con material ferromagnético para forma el núcleo 3 de ferrita.

El núcleo de ferrita también puede aplicarse al paquete 12 de sensores mediante métodos de producción aditivos o mediante otros métodos de empaquetado o métodos de producción micromecánicos. En conjunto, el cabezal 10 de sensor, con las bobinas 6 integradas y el material ferromagnético para formar el yugo 34 y los núcleos 20, 24, pueden construirse con producción micromecánica.

En todas las formas de realización, el paquete 12 de sensores presenta, además, una electrónica 4 de procesamiento de señales, en particular, en forma de un circuito integrado, preferiblemente, en forma de un elemento constituyente de CI, más en particular, en forma de un ASIC, que está integrada en el cabezal 10 de sensor. También, para esto, se utilizan preferiblemente métodos de empaquetado y/o métodos de producción micromecánicos. Preferiblemente, la electrónica 4 de procesamiento de señales está conectada por medio de una matriz de bolas 1 de soldadura a los respectivos contactos de las bobinas 6 integradas.

El elemento 26 de placa de circuito impreso o bien el elemento 28 constituyente SMEM con la electrónica 4 de procesamiento de señales pueden estar recubiertos por extrusión por medio de un material polimérico, como está representado en las formas de realización de las Figura 1 y 2 como recubrimiento 5 por extrusión. La Figura 3 muestra una “disposición a cuestas” del elemento 26 de placa de circuito impreso o bien del elemento 28 constituyente SMEM con las bobinas 6 integradas y el núcleo 3 de ferrita integrado en la electrónica 4 de procesamiento de señales.

La electrónica 4 de procesamiento de señales puede estar conectada con una unidad 8 de evaluación por medio de alambre o cable 7 o cualquier otra conexión conductiva. Esta unidad de evaluación (ECU, Electrical Control Unit) puede incluir una memoria y un procesador.

Para guiar el campo magnético a sensores inductivos magnéticos está previsto un material ferrítico. En las Figura 1 a 4, para ello, puede estar prevista la utilización de materiales convencionales como, p. ej., ferritas sinterizadas para formar elementos de amplificación de flujo como, en particular núcleos y yugos. Las ferritas sinterizadas de este tipo tienen la desventaja, que las ferritas son quebradizas e inflexibles, es decir, no pueden producirse en cualquier forma y pueden destruirse por choques mecánicos. En la configuración de la Figura 5, por ello, está prevista al menos una lámina 42 ferrítica como material ferrítico.

Aquí, está prevista, en particular, una lámina 42 ferrítica para crear elementos de amplificación de flujo en lugar de los núcleos 20, 24 y/o para crear el yugo o en lugar del yugo 34.

Una lámina 42 ferrítica puede producirse mediante un proceso de troquelado en cualquier tamaño y dimensión y pegarse. Mediante la utilización de la lámina 42 ferrítica se pueden lograr dimensiones notablemente más flexibles en la configuración del sensor.

La lámina ferrítica tiene un diámetro de al menos 1/10 mm (hasta 1-2 mm en caso de mayores potencias) y también se utiliza con fines de blindaje, es decir, se reduce notablemente la susceptibilidad a interferencias de las señales bajas (normalmente en el rango de dos cifras de mV). Los materiales son normalmente óxidos de hierro (como banda magnética, material para cintas magnetofónicas o similares).

Por lo demás, el elemento constituyente mostrado en la Figura 5 puede presentar todas las características y elementos explicados mediante las realizaciones de las Figura 1 a 4 y se utilizan en el cabezal 10 de sensor. La Figura 6 muestra como comparación con la Figura 5, la misma vista para el correspondiente elemento constituyente con ferrita sinterizada, como puede haber sido utilizado en las realizaciones anteriores. Como es evidente, el elemento constituyente de la Figura 5 puede reemplazar los correspondientes elementos constituyentes de las Figura 1 a 4.

Una comparación de la Figura 5 y la Figura 6 muestra que la lámina 42 ferrítica se puede extender espacialmente más allá por encima de los lugares de los núcleos de las bobinas.

Lista de símbolos de referencia

1 BGA Ball Grid Array, bolas de soldadura

2 PCB con bobina integrada

3 núcleo de ferrita incrustado en PCD

4 electrónica de procesamiento de señales (ASIC)

5 moldcompound (recubrimiento por extrusión)

6 bobinas integradas

7 alambre o cable (conexión conductiva)

8 unidad de evaluación ECU (electrical control unit), memoria, procesador

9 objeto de medición (eje, cilindro, cuerpo ferromagnético)

10 cabezal de sensor

12 paquete de sensores

14 unidad de generación de campo magnético

16 unidad de medición de campo magnético

18 bobina de excitación

20 núcleo de excitación

22 bobina de medición

22a primera bobina de medición

22b segunda bobina de medición

22c tercera bobina de medición

22d cuarta bobina de medición

24 núcleo de medición

26 elemento de placa de circuito impreso

elemento constituyente SMEM polo magnético

a primer polo magnético

b segundo polo magnético c tercer polo magnético

d cuarto polo magnético

e quinto polo magnético concentrado de flujo

yugo

placa de circuito impreso capa conductiva devanados

lámina ferrítica

Claims

REIVINDICACIONES

1. Cabezal (10) de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo (9) ferromagnético, que comprende:

una unidad (14) de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético y una unidad (16) de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético,

presentando la unidad (14) de generación de campo magnético una bobina (18) de excitación y un elemento (20) de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando,

presentando la unidad (16) de medición de campo magnético varias bobinas (22) de medición con un elemento (24) de amplificación de flujo de medición magnéticamente blando,

estando al menos la bobina (18) de excitación y las bobinas (22, 22a-22d) de medición integradas en un elemento (26) de placa de circuito impreso común o un elemento (28) constituyente SMEM,

estando la bobina (18) de excitación y las bobinas (22, 22a-22d) de medición construidas a partir de bobinas planas, las cuales están configuradas en una capa (38) conductiva del elemento (26) de placa de circuito impreso o del elemento (28) constituyente SMEM,

estando dispuestas, en un plano en la capa (38) conductiva, una bobina plana para crear una parte de una primera bobina (22a) de medición y una bobina plana para crear una parte de una segunda bobina (22b) de medición y una bobina plana para crear una parte de una bobina (18) de excitación, y estando dispuestas varias capas conductivas de este tipo con varias bobinas planas con capas intermedias aislantes para crear paquetes de bobinas, las cuales forman la primera bobina (22, 22a) de medición y la segunda bobina (22, 22b) de medición y la bobina (18) de excitación.

2. Cabezal de sensor según la reivindicación 1,

caracterizado por

que el elemento (26) de placa de circuito impreso presenta varias placas (36) de circuito impreso, las cuales presentan, respectivamente, una capa (38) conductiva y una capa de soporte formada por un aislante, y las cuales están apiladas a un paquete.

3. Cabezal de sensor según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por

que el elemento de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando es un núcleo (20) de excitación magnéticamente blando, alrededor del cual está dispuesta la bobina (18) de excitación y

que las bobinas (22) de medición están provistas con un núcleo (24) de medición magnéticamente blando como elemento de amplificación de flujo de medición.

4. Cabezal (10) de sensor según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por

que está prevista al menos una lámina (42) ferrítica, la cual forma al menos una parte de los elementos de amplificación de flujo magnéticamente blandos.

5. Cabezal (10) de sensor según la reivindicación 2 y según la reivindicación 4,

caracterizado por

que la lámina (42) ferrítica está pegada sobre el elemento (26) de placa de circuito impreso.

6. Cabezal (10) de sensor según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por un primer elemento (26) de placa de circuito impreso, en el cual están previstas de forma integrada al menos la bobina (18) de excitación y varias bobinas (22, 22a-22d) de medición, de tal manera que se forman varios polos (30, 30a-30e) magnéticos y por un segundo elemento (26) de placa de circuito impreso, en el cual está incrustado o integrado al menos un material magnéticamente blando para unir y/o formar núcleos magnéticamente blandos de los polos (30, 30a-30e) magnéticos, estando el primer y el segundo elemento (26) de placa de circuito impreso unidos entre sí; o

caracterizado por un primer elemento (28) constituyente SMEM, en el cual están previstas de forma integrada al menos la bobina (18) de excitación y varias bobinas (22, 22a-22d) de medición, de tal manera que se forman varios polos (30, 30a-30e) magnéticos y por un segundo elemento (28) constituyente SMEM, en el cual está incrustado o integrado al menos un material magnéticamente blando para unir y/o formar núcleos magnéticamente blandos de los polos (30, 30a-30e) magnéticos, estando el primer y el segundo elemento (28) constituyente SMEM unidos entre sí.

7. Cabezal (10) de sensor según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por un circuito integrado, el cual está dispuesto o enlazado o soldado al elemento (26) de placa de circuito impreso o al elemento (28) constituyente SMEM como parte integrada del mismo.

8. Cabezal (10) de sensor según una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por

que el elemento (26) de placa de circuito impreso o el elemento (28) constituyente SMEM con las bobinas (6) integradas y los elementos (20, 24, 34, 42) de amplificación de flujo magnéticamente blandos están recubiertos por extrusión por un polímero.

9. Método para producir un cabezal (10) de sensor para un sensor de fuerza o de par magnetoelástico para medir una fuerza o un par en un cuerpo (9) ferromagnético, dicho cabezal (10) de sensor comprende una unidad (14) de generación de campo magnético para generar un campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético y una unidad (16) de medición de campo magnético para medir una variación de campo magnético en el cuerpo (9) ferromagnético, presentando la unidad (14) de generación de campo magnético una bobina (18) de excitación y un elemento (20, 42) de amplificación de flujo de excitación magnéticamente blando y presentando la unidad (16) de medición de campo magnético una bobina (22, 22a-22d) de medición y un elemento (24, 42) de amplificación de flujo de medición magnéticamente blando, que comprende:

a) los pasos:

provisión de varias placas (36) de circuito impreso,

estructuración de una capa (38) conductiva de la respectiva placa (36) de circuito impreso para configurar bobinas planas con devanados (40) de la bobina (18) de excitación y de la bobina (22, 22a-22d) de medición y

apilado de las placas (36) de circuito impreso a un paquete para construir al mismo tiempo paquetes de bobinas para formar una primera bobina (22a) de medición, una segunda bobina (22b) de medición y la bobina (18) de excitación

o

b) el paso:

configuración integrada de devanados (40) de la bobina (18) de excitación y de la bobina (22, 22a-22d) de medición mediante producción micromecánica o métodos de producción aditivos, aplicándose de forma estructura capas (38) conductivas en un plano común, de tal manera que se forman varias bobinas planas una al lado de otra para formar una primera bobina (22a) de medición y una segunda bobina (22b) de medición y la bobina (18) de excitación, y que varias capas (38) conductivas de este tipo, provistas con bobinas planas, se construyen a paquetes de bobinas con capas aislantes entre medias.

10. Método según la reivindicación 9,

caracterizado por

que alternativa a) incluye: embeber un material magnéticamente blando en las placas (36) de circuito impreso para formar los elementos (20, 24) de amplificación de flujo o que alternativa b) incluye: configuración integrada de devanados (40) de la bobina (18) de excitación y de las bobinas (22, 22a-22d) de medición y de los núcleos magnéticamente blandos mediante producción micromecánica o métodos de producción aditivos.

11. Método según la reivindicación 9 o 10,

caracterizado por

que alternativa a) incluye: pegar al menos una lámina (42) ferrítica sobre al menos una de las placas (36) de circuito impreso para formar los elementos (20, 24) de amplificación de flujo.

12. Método según la reivindicación 11,

caracterizado por

12.1 proporcionar la al menos una lámina ferrítica con un espesor de 0,1 mm a 3 mm y/o

12.2 proporcionar una lámina (42) a partir de o con un óxido de hierro.

13. Método según una de las reivindicaciones 9 a 12,

caracterizado por

provisión de un chip con una electrónica (4) de procesamiento de señales y conexión eléctrica de contactos del chip con las bobinas (18, 22) para, de esta manera, crear un paquete (12) de sensores.

14. Método según una de las reivindicaciones 9 a 13,

caracterizado por recubrir (5) por extrusión mediante un material polimérico al menos el paquete de placas (36) de circuito impreso o un elemento (28) constituyente SMEM creado mediante producción micromecánica con las bobinas (18, 22) y los elementos (20, 24) de amplificación de flujo.