JP7099863B2 - 位置を測定するためのセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の、例えば角度測定装置又は長さ測定装置用の位置を測定するためのセンサユニットに関する。

角度測定装置は、相対回転可能な２つの機械部品の角度位置の測定用ロータリエンコーダなどとして使用される。さらに、相対移動可能な２つの機械部品の線状移動が計測される長さ測定装置が、公知である。角度測定装置及び長さ測定装置は通常、センサユニットを有し、このセンサユニットはセンサユニットに対して、およそ角度スケール又は長さスケール又は度器といった可動部品を走査し、及びに、位置に依拠する信号を生成する。

光学的計測装置においては、頻繁に光源、及び光検出器が光学的センサユニットのプリント基板上に取り付けられている。空隙を伴って、プリント基板対向して光学的スケールがある。公知の原理によれば、その際、位置に依拠した信号が生成され得る。

頻繁に、このような電気駆動用計測装置又は電気駆動用計測機器は、相応する機械部品の相対運動又は相対位置の特定のために使用される。この場合、生成された位置値が、相応するインターフェース機構を介して、付随の駆動装着用電子機器に、送られる。

独国特許出願公開第１９８４３１５５号明細書が光学式変位検出装置を解説し、光学式変位検出装置において、当該センサユニットはＩＣチップを有し、そのＩＣチップは樹脂成形ブロック中のガラス基板上に設置されている。

独国特許出願公開第１９８４３１５５号明細書

本発明の課題は、外的影響に対しロバストな動作挙動を可能にし、比較的経済的に製造可能であるセンサユニットを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載に記載の：
センサユニットに対して相対移動可能な部品（７）の位置を測定するためのセンサユニットにおいて、
前記センサユニットが、金属体（１）を有し、この金属体（１）は、第１凹部（１．１）を有し、
スリット（Ｓ）が、電子構成要素（２）と前記金属体（１）との間に存在するように、前記電子構成要素（２）が、前記第１凹部（１．１）内に配置されていて、前記スリット（Ｓ）が、電気絶縁性の充填材（４）で充填されていて、
電気絶縁性の第１層（５）が、前記電子構成要素（２）と前記充填材（４）とに被覆されていて、
前記電子構成要素（２）が、導電路（６）に電気接触されていて、この導電路（６）は、第１部分（６．１）内で前記第１層（５）を貫通して敷設されていて、且つ前記第１層（５）に被覆された第２部分（６．２）内に延在していて、
前記電子構成要素（２）が、前記導電路（６）の前記第１部分（６．１）と直接に電気接続されていることによって解決される。

センサユニットは、センサユニットに対して可動な部品の位置測定に適していて、センサユニットは、金属体を包括し、この金属体は第１凹部を少なくとも１つ有している。第１凹部中に、少なくとも１つの電子構成要素が設置され、電子構成要素と金属体の間にはスリットがあり、スリットは電気絶縁性の充填材で満たされている。電子構成要素上、及び充填材上に電気絶縁性の第１層が塗着している。電子構成要素が導電路に電気接触されて、導電路は、第１部分において第１層に貫設されていて、及び第２部分における第１層上に延在する。特に、電子構成要素が、導電路の第１部分と直接に電気接続されている。

特に、スリットＳが電子構成要素を包囲し、凹部中の電子構成要素も充填材によって包囲するように、このスリットＳは形成されている。特に、電子構成要素及び金属体間に直接接触が存在しない。充填材の素材としては、例えばエポキシ樹脂といったポリマー素材、他方で無機の接着剤も考慮の対象となる。充填材は、例えば充填設備内で生成され得る。同様に、充填材は、射出成形機内の射出成形法でスリット内に注入され得る。

導電路は、第２部分において、少なくとも部分的に第１層の金属体の表面から逸れた平面上に延在する。真空蒸着された導電路は、側方に電子構成要素端部を越えて突出している。

電子構成要素は、ここでも、針金といった物体を使用せずに電気接続される。特に、ワイヤボンディング（又はＤｒａｈｔｂｏｎｄｅｎ）が断念しえる。

本発明の更なる発展形態において、電気絶縁性の第１層が少なくとも部分的に金属体上に塗布され、及び導軌道の第２部分が金属体第１表面に対して平行に延在する。

電子構成要素は、能動的構成要素、例えばＩＣチップとして、受動的構成要素、例えば抵抗として形成され得る。

有利には、電子構成要素が、少なくとも１つの光学的センサを有している。

有利にも電子構成要素が、少なくとも１つの光源を有している。特に、電子構成要素はＩＣチップとして形成され得て、このＩＣチップは、少なくとも１つのセンサ、及び光源などを有している。代替的には、光源が第１電子構成要素上に、且つ光学的センサが第２電子構成要素上に配置され得る。この組み立て方法において、第１及び第２電子構成要素が同一の凹部中に、特に、上述の金属体の第１凹部中にある。

代替的には、電子構成要素が少なくとも１つの磁気的センサを、特に、磁気抵抗センサ又はホールセンサを有し得る。本発明の更なる代替的発展形に従えば、電子構成要素が誘導的センサ又は、容量性センサを有し得る。

有利には、金属体が第１表面を有し、電子構成要素が凹部中の第１表面と共に同一面に配置されている。これに従って、電子構成要素が第１表面と同じ高さで、画成配置されている。特に、第１表面及び構成要素の外側平面が、同一の幾何的な面にある。

さらに、少なくとも１つの光学的センサは、電子構成要素が少なくとも１つのセンサを有する限り、第１表面と共に同一面に配置され得る。複数センサを伴う電子構成要素の発展形において、複数のセンサも第１表面と共に同一面に配置され得る。

本発明の更なる発展形態において、センサユニットは、シールドを有するケーブルを備える。当該シールドは、金属体に電気接続されている。

有利には、金属体が０．５ｍｍを上回る厚さを有する。特に１．０ｍｍを上回る厚さ、特に１．５ｍｍを上回る厚さを有する。特に、金属体は、更にセンサユニットを機械部品に力学的に固定するための固定手段を有する。更なる発展形に従って、固定手段が金属体を通る穿孔、又はネジ山付孔として形成されている。特に、金属体は、つまり電子構成要素を収容できるだけでなく、同時にフランジ機能も満たすことができる。さらに、金属体は、この金属体が輪郭を有して、この輪郭が力学的に加工され、及び機械部品に正確に合致して取り付けられるための指標又は分品として使用されるように、形成され得る。

金属体は第１表面及び第２表面を有し、第２表面が第１表面に対向配置されていて、センサユニットは少なくとも１つの電子部品を有し得、この電子部品は第２表面を越えて突出して、つまりは第２表面と同一面にない形で配置されている。さらに、代替的もしくは補完的にセンサユニットは、少なくとも１つのケーブル端子を有し得、このケーブル端子は第２表面を越えて軸方向に突出するように配置されている。

有利な方法において、金属体は一体成形されている。

有利には、金属体が第２凹部を有し、その第２凹部中にプリント基板が配置され、プリント基板は第１平面及び第１平面に対向する第２平面を有している。導電路は、その場合、プリント基板の第１平面で、プリント基板に電気接触されている。さらに、電子部品は、プリント基板の第２平面上に取り付けられている。導電路は、ビアホールによって当該電子部品に電気接続されている。特に、プリント基板の第１平面は、有利には同一面に、第１金属体の表面に対して平行に配置され得る。代替的もしくは補完的に、プリント基板の第２平面は、第２金属体の表面に対して平行に配置され得る。

本発明は、一実施の形態に従って、センサユニットを伴うエンコーダ、及びセンサユニットに対して可動な部品を有している。その際、この部品はスケールを有し、このスケールは角度スケール又は長さスケールとして形成され、及びインクリメンタル式、又はアブソリュート式の位置測定の為に配置され得る。センサユニットは、ある方法において、スケールに対向配置され、導電路が金属体及びスケールの間にある。

特に、導電路の第２部分が金属体及びスケールの間で延在する。相応して、第１層が金属体及びスケールの間にある。スケールという概念は、インクリメンタル式、又はアブソリュート式の目盛を有し、且つ測定目盛板とも通称される物体として、理解できる。

有利には、エンコーダの上記の部品は、センサユニットに対して回動可能であり、及びにスケールは角度スケールとして形成されている。代替的には、部品はセンサユニットに対して直線移動可能であり、及びスケールは長さスケールとして形成されている。

有利な本発明の形成様式が、従属請求項から見て取れる。

以下に、さらなる詳細及び本発明のセンサユニットの利点又はエンコーダの利点を、添付図面に基づく実施の形態から説明する。

センサユニットの第１製造段階後における交線を伴う金属パネルの俯瞰図である。 センサユニット第１製造段階後における単独の金属体の俯瞰図である。 第１製造段階後におけるセンサユニットの部分域の断面図である 更なる製造段階後におけるセンサニットの部分域の断面図である。 充填材塗布後のセンサニットの部分域の断面図である。 絶縁する第１層塗布後のセンサニットの部分域の断面図である。 導電路製作後のセンサニットの部分域の断面図である。 第２絶縁する層塗布後のセンサニットの部分域の断面図である。 取り付けられたセンサユニットの俯瞰図である。 エンコーダにおける側面図である。

センサユニット製造の一環において、まずは利便性、又は金属パネルが提供され、この金属パネルは紹介された実施例において１．０ｍｍの強度、又は厚さを有し、及アルミニウムから製造されている。この金属パネル中に、図１中に見て取れる交線は、例えばレーザ切断プロセス又はウォータジェット切断プロセスによって、挿設される。この方法で複数の金属体１が生成され、これら金属体は図２に相応する形状を有している。各々の金属体１は、従って、第１凹部１．１、第２凹部１．２、第３凹部１．３、第４凹部１．５及び第５凹部１．５及び、中央部に丸い凹部を有している。本発明は、下記において第１凹部１．１によって解説され、特に３ａから３ｆの図に記載の線Ａ―Ａに沿う断面図に従って解説される。金属体１は切断工程後、この製造局面にあって、ウェブ１．２に互いに結合されている。代替的製造方法に従って、金属体１の円形外部輪郭は、より後の段階にあって、はじめて生成され得る。

まずシート８は、図３ｂに従って、金属パネルの第１表面Ｏ１又は金属体１に貼着される、又は積層される。さらに、電子構成要素２は、第１凹部１．１内で、シート８に貼着され、その結果、スリットＳは、第１凹部１．１の端部と構成要素２間の隔たりを伴って存する。紹介された実施例において、構成要素２はＩＣチップとして形成され、且つ構成要素２は第１センサ２．１（例えば第１光検出器アレイ）及び第２センサ２．２（例えば第２光検出器アレイ）を有している。さらに、構成要素２は、紹介された実施例において、光源２．３を有し、この光源はここで構成要素２のポケット内に配置されている。構成要素２は、第１凹部１．１内の第１表面Ｏ１と共に同一面に配置されているように、シート８上で位置付けられる。特に、第１光学的センサ２．１及び第２光学的センサ２．２は第１凹部１．１内にある第１表面Ｏ１と共に同一面に配置される。

図３ｃに記載の次の製造段階中において、第１凹部１．１内にある構成要素２の周囲容積が充填材４で満たされる。この関係において、充填材４を塗布する目的で、例えば分与器、又は鋳造システム、又は成形装置が使用され得る。紹介された実施例において、金属体１に対する構成要素２のズレは、慎重なポッティング法との組み合わせにおいて、構成要素２を結着又は接着することによって、充填材４の塗布中には生じない。結果として、センサ２．１、２．２及び光源２．３を有する構成要素２は金属体１に対して、正確に位置付けられていることが保証され得る。

充填材４のポッティング及び硬化の後に、シート８が取り除かれる。

それに次いで、絶縁する第１層５、特に、ポリイミドから成る層、金属体１の第１表面Ｏ１及び、この第１表面Ｏ１との同一面上に延在する充填材４の表面及び電子構成要素２の表面に塗布される、又は積層される（図３ｄ参照）。この第１層５は光化学的方法を利用して、後に生成される導電路６の為の貫通孔５．１が存するように構成される。同様に紹介された実施例において、第１層５中に開口１１が生成されて、この開口を通して光源２．３及びセンサ２．１、２．２が露呈される。代替的には、特に第１層５が僅かな厚さを有する場合、及び／又は、第１層５が適合する光学的特徴を有する場合、開口１１の生成が断念され得る。

それに続いて、紹介された実施例中の、重層で、特に２重層で構築された金属層は、図３ｅに記載の第１層５上に塗布される。この金属層は、最終的に図３ｅに記載の導電路６が選択的導電路構造によって生成されるように、加工される。この結果において、その際、複数の導電路６が存し、導電路６は、其々が１つの第１部分６．１及び１つの第２部分６．２を有している。第１部分６．１中で、導電路６が第１層５に貫設されていて、特に貫通孔５．１に貫設されている。さらに、第１部分において、導電路６と電子構成要素２間の電気的接触が生成される。さらに、導電路６は、第１層５に着設する第２部分６．２中で、第１表面Ｏ１に対して平行に延在し、及び第１表面から、第１層５の厚さに応じて、隔離されている。導電路６上に、その後に、電気絶縁性の第２層９又は不活性化層が塗布される。

代替的には、他に更なる層、及び更なる導電路が生成され得る。有利な方法において、金属体１の第１表面Ｏ１上に全層構成があり、つまり導電路の厚さ及び絶縁する層の厚さの合計が０．１ｍｍを上回らず、特に０．０５ｍｍを上回らない。

製造過程の一環において、同時に第３から第５凹部１．３～１．５は同じ方法で電子構成要素によって装備され、第１凹部１．１と同様に、相応にポッティングされ、及び電気接触されている。第２凹部１．２中に、プリント基板３が位置付けられ、及びポッティングされ、このプリント基板は第１平面及び第１平面に対向する第２平面を有している。導電路６は、プリント基板の第１平面３でプリント基板３、特にビアホールの金属面に電気接触される。さらに、プリント基板３上に、例えばケーブル端子３．１（ここでは端子）、及び更なる電子部品３．２が裏面に、つまり図５中に見て取れるように、第２平面上に取り付けられる。その後、更なる電子部品３．２及びケーブル端子３．１は、プリント基板３の第２平面上に配置され、この第２平面はプリント基板３の第１平面に対向している。導電路６と電子部品３．２及び／又はケーブル端子３．１との電気接続は、当該ビアホールによって達成される。

紹介された実施例において、電子部品３．２及びケーブル端子３．１は金属体の第２表面 Ｏ２を越えて突出し、第２表面Ｏ２は第１表面Ｏ１に対向配置されている（図３ａ、３ｆ）。

図４中において、こうして生成されたセンサユニットを上から見た図が示されている。この製造段階に続いて、複数の金属体１は互いに離され、又は個々に分けられる。

製造過程の更なる進捗において、多芯ケーブル１０は、シールド（図５参照）及びコネクタ１０．２を有し、プリント基板３のケーブル端子３．１に接続されている。さらに、ブラケット１０．２がシールド周りに据え付けられ、並びに、金属体１中のネジ山付孔及びネジ２．８によって、金属体１に固定される。こうして金属体１とケーブル１０と間の機械的な接続だけでなく、金属体１とシールドと間の電気的な接続も得られる。

図４中の構造によるセンサユニットは、この時、例えば裏面に電気的に絶縁している素材によってインサート成形され得、その結果、プリント基板３の第２平面、電子部品３．２及びケーブル１０との接続用ケーブル端子３．１は外的影響に対して保護されている。インサート成形は、この場合、同時にケーブル１０の為のトラクション軽減としても役立つ。

図５中において、測定システムの原理図が示されている。この測定システムは本発明に係るセンサユニット及び、これに対して可動な（ここではセンサユニット対して回動可能な）部品７を有している。部品７は、シャフト７．１及びスケール７．１（ここでは角度スケール）から成る。紹介された実施例において、スケール７．１は、中心軸を同じくする２つの目盛トラック又は２つのコードトラックを有し、これらは反射光測定法によって反射的に走査可能である。

センサユニットは、この場合、例えば機械部品（エンジンケース等）に着設され得る。この目的のために、金属体１は図中の描写とは異なって、例えば穿孔型というような、多様な固定手段を有し得る。この方法によって、センサユニットの簡易且つ正確な取付が可能である。通常、部品７又は角度スケールは回転子として機能し、且つ回動軸Ｘ周りに回動可能な機械部品に着設される。これに反して、その時、センサユニットが角度測定装置として形成されているエンコーダの固定子を形成し、その結果、この固定子は定常の機械部品に固定されている。エンコーダの組み立てられた状態で、部品７及びセンサユニットは比較的狭い空隙を伴って互いに対向して、この空隙は図５の原理図中に示された空隙より小さい。

測定システムの作動中に、光源２．３が光を放ち、その光は図５中に暗示された光路に従ってスケール７．１の目盛トラックによって反射され、且つセンサ２．１、２．２上に落ちて、これらセンサが入射する光を光電流、又は電気的信号に変換する。回動軸Ｘは、部品７又はスケール７．１の中心を通って延在する。部品７及びセンサユニット間の相対回転においては、このようにして、センサ２．１、２．２の中で、随時の角度関係に依存した信号が生成され得る。

センサユニットの上記組立て方によって、比較的簡単で且つ安価な方法における１つの構造が生み出され得て、この構造はセンサ２．１、２．２及びスケール７．１の間、若しくは光源２．３及びスケール７．１の間における正確なスリット設定を可能にする。スケール７．１に向けられた電子構成要素２の表面が、金属体第１表面Ｏ１と共に同一面に配置されていることは、特に製法に依拠することで、保証されている。金属体１に対する電子構成要素２の正確な位置取りによって、金属体１の機械部品への取付完了後、又は結着完了後に、電子構成要素２（特にセンサ２．１、２．２及び光源２．３）が精密に位置付けされていることが保証され得る。

プリント基板３上に取り付けられた電子部品３．２は、信号のための評価素子として機能する。電子部品３．２のデジタル部上のロジック回路中に、個々の目盛トラックの走査から生まれる位置値が算出され、又は算定される。位置値がケーブル１０を介して付随の電子機器に、例えば機械数値制御に伝送され得る。従って、センサユニットで装備された角度測定装置は、機械部品に固定可能なセンサユニット及びスケール７．１を有する部品７間の角度位置を記録するために役立つ。

代わりに、信号のための評価素子として使用される電子部品が、プリント基板なしに、金属体１中の他の凹部内に、充填材４によって包囲されて配置されてもよい。

当該説明された組み立て方法によって、特に外的電磁場の影響に対して鈍感なセンサユニットが提供される。何故なら、特に、ケーブル１０のシールドに電気接続されている金属体１自体が遮蔽的に作用するからである。

さらに、構成要素２中で生成された熱が、充填材４を介して金属体１上に効果的に伝達又は分散されるので、電子構成要素２の動作温度が低下する。当該動作温度の低下は、測定精度に有利に作用する。

Claims (15)

1. センサユニットに対して相対移動可能な部品（７）の位置を測定するためのセンサユニットにおいて、
   前記センサユニットが、金属体（１）を有し、この金属体（１）は、第１凹部（１．１）を有し、
   スリット（Ｓ）が、電子構成要素（２）と前記金属体（１）との間に存在するように、前記電子構成要素（２）が、前記第１凹部（１．１）内に配置されていて、前記スリット（Ｓ）が、電気絶縁性の充填材（４）で充填されていて、
   電気絶縁性の第１層（５）が、前記電子構成要素（２）と前記充填材（４）とに被覆されていて、
   前記電子構成要素（２）が、導電路（６）に電気接触されていて、この導電路（６）は、第１部分（６．１）内で前記第１層（５）のビアホールを貫通して敷設されていて、且つ前記第１層（５）に被覆された第２部分（６．２）内に延在していて、
   前記電子構成要素（２）が、ワイヤを使用することなしに電気接続されるように、この電子構成要素（２）は、前記ビアホールによって前記導電路（６）の前記第１部分（６．１）と直接に電気接続されている当該センサユニット。
2. 前記電気絶縁性の第１層（５）は、前記金属体（１）にも被覆されていて、前記導電路（６）の前記第２部分（６．２）が、前記金属体（１）の第１表面（Ｏ１）に対して平行に延在している請求項１に記載のセンサユニット。
3. 前記電子構成要素（２）は、少なくとも１つの光学センサ（２．１、２．２）を有する請求項１又は請求項２に記載のセンサユニット。
4. 前記電子構成要素（２）は、少なくとも１つの光源（２．３）を有する請求項１又は２に記載のセンサユニット。
5. 前記電子構成要素（２）は、少なくとも１つの磁気センサを有する請求項１又は２に記載のセンサユニット。
6. 前記金属体（１）は、第１表面（Ｏ１）を有し、前記電子構成要素（２）が、前記第１表面（Ｏ１）と同一平面を成して前記第１凹部（１．１）内に配置されている請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサユニット。
7. 前記電子構成要素（２）は、少なくとも１つの光学センサ（２．１、２．２）を有し、前記金属体（１）が、第１表面（Ｏ１）を有し、前記少なくとも１つの光学センサ（２．１、２．２）が、前記第１表面（Ｏ１）と同一平面を成して配置されている請求項１～６のいずれか１項に記載のセンサユニット。
8. 前記金属体（１）は、第１表面（Ｏ１）と前記第１表面（Ｏ１）対向する第２表面（Ｏ２）とを有し、前記センサユニットが、少なくとも１つの電子部品（３．２）を有し、当該電子部品（３．２）が、前記第２表面（Ｏ２）から突出しているように、この電子部品（３．２）は配置されている請求項１～７のいずれか１項に記載のセンサユニット。
9. 前記金属体（１）は、プリント基板（３）が配置されている第２凹部（１．２）を有し、このプリント基板（３）は、第１平面とこの第１平面に対向する第２平面とを有し、前記導電路（６）が、前記プリント基板（３）の前記第１平面で前記プリント基板（３）に電気接触していて、電子部品（３．２）が、前記プリント基板（３）の前記第２平面（３）上に取り付けられていて、前記導電路（６）が、ビアホールによって前記電子部品（３．２）に電気接続されている請求項１～８のいずれか１項に記載のセンサユニット。
10. 前記センサユニットは、シールドを有するケーブル（１０）を有し、前記シールドは、前記金属体（１）に導電接続されている請求項１～９のいずれか１項に記載のセンサユニット
11. 前記金属体（１）は、第１表面（Ｏ１）とこの第１表面（Ｏ１）に対向する第２表面（Ｏ２）とを有し、少なくとも１つのケーブル端子（３．１）が、前記第２表面（Ｏ２）から突出しているように、前記センサユニットが、当該ケーブル端子（３．１）を有する請求項１～１０のいずれか１項に記載のセンサユニット。
12. 前記金属体（１）は、０．５ｍｍよりも大きい厚さを有する請求項１～１１のいずれか１項に記載のセンサユニット。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載のセンサユニットとセンサユニットに対して相対移動可動な部品（７）とを有するエンコーダにおいて、
    前記移動可動な部品（７）が、スケール（７．１）を有し、導電路（６）が、金属体（１）と前記スケール（７．１）との間に存在するように、前記センサユニットが、前記スケール（７．１）に対向して配置されていることを特徴とするエンコーダ。
14. 前記部品（７）は、前記センサユニットに対して相対回動可能であり、前記スケール（７．１）が、角度スケールとして形成されている請求項１３に記載のエンコーダ。
15. 前記部品（７）は、前記センサユニットに対して直線状に摺動可能であり、前記スケール（７．１）が、長さスケールとして形成されている請求項１３に記載のエンコーダ。

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