JP7145229B2 - 平面コイルアセンブリの製造方法及びこれを備えたセンサーヘッド - Google Patents

平面コイルアセンブリの製造方法及びこれを備えたセンサーヘッド Download PDF

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Description

本発明は、複数の平面コイルユニットが積層されて配置された平面コイルアセンブリを製造する方法に関する。本発明はまた、平面コイルアセンブリを製造する方法を実施することによって、トルクセンサー用または応力センサー用のセンサーヘッドを製造するプロセスに関する。最後に、本発明は、そのような方法によって得られるセンサーヘッドに関する。
特に、本発明は、磁場の変化を捉えることによってシャフトのトルクを測定することができる、トルクトランスデューサないしはトルクセンサーのためのセンサーヘッドについての特に有利な製造に関する。磁場の変化に基づいてシャフトのトルクを検出する、このようなトルクセンサー、およびその科学的根拠は、下記の文献D1～D9（非特許文献１、及び特許文献１～８）に記載されている。
特に、D4（DE 30 31 997 A1；特許文献３）に記載されているトルクトランスデューサの設計は、シャフトやその他の測定ポイントのトルクを測定するのに特に効果的であることが証明されています。
このような応力センサーまたはトルクセンサーのためのセンサーヘッドを製造するのに特に有利な方法は、下記の文献D10（特許文献９）に記述され示されている。
この文献によると、磁場を生成するための発生器コイル、ならびに磁場の変化を測定するための測定コイルは、積層されて配置され、ビアホールないしはスルーホールを通じて互いに接続された複数の平面コイルによって形成される。したがって、文献D10（特許文献９）は、ｎ個の重ね合わされた平面コイルユニットを含む平面コイルアセンブリを製造するための方法を記載している。ここで、ｎは、１より大きい自然数であり、この方法は、ステップａ）及びｂ）を含む。
ａ）コンピュータを用いて、電気絶縁材料から作製された厚みdｉ,ＩＭの絶縁材料層の上に、導電体から作製された、平面コイル厚さｄｉ,ＰＳを有する少なくとも１つの平面コイルを製造することにより、ｉ番目の平面コイルユニットを作成する。ここで、iは1からnに等しい。
ｂ）平面コイル同士の間に絶縁材料層を挟み込むようにして、平面コイルユニットを積層して配置する。
平面コイルアセンブリ―を作成する方法は、下記の文献D11～13（特許文献１０～１２）からも知られている。
D1: HINZ, Gerhard; VOIGT, Heinz; BOLL, R.; OBERSHOTT, K. J. (publisher):Chapter 4 - Magnetoelastic sensors. In: Sensors: Magnetic Sensors. Weinheim [u. a.]: VCH-Verl.-Ges., 1989 (Sensors: A comprehensive survey; 5). Page 97-152 - ISBN 3-527-26771-9
D2:US 3 311 818 A D3:EP 0 384 042 A2 D4:DE 30 31 997 A1 D5:US 3 011 340 A D6:US 4 135 391 A D7:DE 10 2009 008 074 A1 D8:WO 2012/152515 A1 D9:DE 85 11 143 U1 D10:WO2018 / 019859 D11:EP 2 107 577 A1 D12:WO 2010/065113 A1 D13:WO 2011/138232 A1 D14:WO 2011/152994 A1
本発明の特に好ましい実施形態は、可撓性プリント回路基板の使用法およびそれらの用途を提供する。このことについては、特に、文献D14（特許文献１３）が引用・参照される。
本発明は、トルクセンサーまたは応力センサーのセンサーヘッドとして使用するための平面コイルアセンブリを製造する方法について、低コストで製造しつつ、より正確な測定が可能であるように改善するという課題に基づいている。
この課題を解決すべく、本発明は、請求項１の各ステップを含む方法を提供する。さらなる態様によれば、本発明は、さらなる独立請求項にしたがう、平面コイルアセンブリの製造方法を用いてセンサーヘッドを製造する方法を提供する。本発明はまた、そのようなセンサーヘッドの製造方法によって得られるセンサーヘッドを提供する。
有利な実施形態は、サブクレームの対象である。
一態様によれば、本発明は、ｎ個の重ね合わされた平面コイルユニットを含む平面コイルアセンブリを製造するための方法であって、下記ａ）及びｂ）を含む方法を提供する。ここで、ｎは、１より大きい自然数である。
ａ）コンピュータ支援製造（computer-aided manufacturing; CAM）により、電気絶縁材料から作られた厚みdｉ,ＩＭの絶縁材料層の上に、導電体から作られて平面コイル厚さdｉ,ＰＳを有する少なくとも1つの平面コイルを製造することによって、i番目の平面コイルユニットを作成する。ここで、iは1からnに等しい。
ｂ）平面コイル同士の間に絶縁材料層を挟み込むようにして、平面コイルユニットを積層して配置する。
ここで、厚みｄｉ,ＰＳおよびdｉ,ＩＭは、下式を満たすように選択される。
Figure 0007145229000001
ここで、
Figure 0007145229000002
は平面コイルの厚さdｉ,ＰＳの総計であり、
Figure 0007145229000003
は絶縁材料層の厚さdｉ,ＩＭの総計である。
換言すれば、個々の平面コイルによって形成される少なくとも１つのコイルについての全厚の６０％から９０％は、導電体材料によって形成されており、これに伴い、全厚の４０％から１０％のみが絶縁材料によって形成される。
好ましくは、この方法は、互いに重ね合わされた、平面コイルユニットの平面コイルを電気的に接続することで、少なくとも１つの磁気コイルを形成することを含む。
ステップｂ）において、厚さdｉ,ＩＭを有する単一の絶縁材料層のみが、いずれの平面コイル同士の間にも配置されることが好ましい。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ１）平面コイルユニットごとの、１つの平面にある複数の平面コイルについてのコンピュータ支援製造。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ２）平面コイルユニットごとの、１つの平面にある複数の平面コイルについての対称的なコンピュータ支援製造。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ３）互いに対称で相異なる平面コイルユニットの平面コイルについてのコンピュータ支援製造。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ４）コンピュータ支援製造により、平面コイルユニットの平面コイルと、複数の平面コイルユニットの平面コイルとを対称的に作成する。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ５）少なくとも１つの平面コイルをリソグラフィーで製造することにより、コンピュータ支援製造を実施する。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ６）プリント回路基板ベース材料、プリプレグ層、および合成樹脂材料を含む絶縁材料の群から選択される絶縁材料の層の上での、平面コイルユニットごとの、少なくとも１つの平面コイルのコンピュータ支援製造。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ７）互いに分離されたいくつかのコイルトラックを有する少なくとも１つの平面コイルを製造する。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ８）、互いに点対称に配置された、平面コイルユニットごとの、少なくとも第１、第２、および第３の測定平面コイルと、一つの中央の発生器コイルとを製造する。
ステップａ）は、以下のステップを含むことが好ましい。
ａ９）中央の発生器平面コイルと、互いに軸対称または点対称に配置された、平面コイルユニットごとの、少なくとも第１、第２、第３、および第４の測定平面コイルと、中央の発生器平面コイルとを製造する。
この方法の特に好ましい実施形態は、以下の特徴を有する。
ｄ）平面コイルユニットにおける重ね合わされた平面コイルの中心を通る少なくとも1つの貫通開口部を作成する。
好ましくは、この方法は、以下のステップを含む。
少なくとも１つの貫通開口部に接する少なくとも１つの貫通接続によって、重ね合わされた平面コイルを電気的に接続する。
好ましくは、この方法は、以下のステップを含む。
磁束収束器を少なくとも１つの貫通開口部に挿入する。
好ましくは、この方法は、以下のステップを含む。
ステップａ）の前、および／または、ステップｂ）の前またはステップｂ）の後に、絶縁材料層が、貫通開口部の各領域に備えられるように、ステップｄ）を実行する。
さらなる態様によれば、本発明は、トルクセンサー用または応力センサー用のセンサーヘッドを製造するための方法を提供し、このセンサーヘッドは、磁場を生成するための発生器コイルと、被測定体に誘導される磁場の変化を測定するための、少なくとも第１および第２の測定コイルとを含んでおり、発生器コイルおよび測定コイルを製造するための上記の実施形態のいずれかによる方法を実行することを含む。
本発明はさらに、そのようなセンサーヘッドの製造方法によって取得可能なセンサーヘッドを提供する。
本発明の好ましい実施形態は、平面コイルアセンブリを製造するための改善された方法を提供する。特に好ましくは、新しいＰＣＢコイル技術が使用される。「PCB」は「プリント基板」の略である。したがって、プリント回路基板技術を用いたコイルを製造方式が特に提供される。
好ましくは、平面コイルは、可撓性のプリント回路基板上に製造される。
好ましくは、複数の平面コイルは、可撓性プリント回路基板の１つの平面上に一共に製造される。
一般的な考え方は、コンピュータ支援製造によってコイルを生産するという考え方は一般的である。コンピュータ支援製造とは、ＣＡＤデータを使用して直接に生産を行う生産プロセスであると理解される。特に好ましくは、リソグラフィープロセスがこの目的のために用いられるのであり、この際、ＣＡＤデータから得られるパターンからの露光が、特にはプリント回路基板といった、基材または基板に行われるのであり、このようにして、複数の層が選択的に成膜されるか、または除去される。
コンピュータ支援製造により、複数の平面コイルは、大量に、同一の品質とまったく同一の構造を有するように生産することができる。このことは、特には上記の文献Ｄ１～Ｄ１０（非特許文献1、及び特許文献２～９）に従ってセンサーヘッドに使用されるようにして、複数のコイルを同時に使用する場合に、以下でより詳細に説明される利点を有する。
例えばＤ１０またはＤ１１（特許文献１０または１１）から知られているように、プリント回路基板技術で平面コイルアセンブリを製造するための１つの方法は、折り畳みコイルの形態に個々の平面コイルを重ね合わせることを含む。この目的のために、コイルはフレキシブルプリント回路基板上に製造され、次に折りたたまれて、平面コイルが重ね合わされて配置される。その結果、平面コイルの間ごとに、プリント回路基板（ＰＣＢ）のベース材料で作られた絶縁材料の少なくとも２つの層が存在する。
これに対し、本発明によると、次のことが想定されている。すなわち、平面コイルを形成する導電性材料の厚さと、これらの間に挿入される絶縁材料の厚さとの比が、請求項１にて特定されているように予め設定されている。このことから、平面コイルが重ね合わされた領域には、絶縁性材料よりも顕著に多い量の導電材料が備えられる。このことから、特に小さい空間にて、特に高い磁力を発生させることができる。このことは、特には、コンピュータ支援製造によって可能になっている。コンピュータ支援製造により、導電性材料および絶縁性材料の配置を、非常に正確に再現可能であるように予め設定可能である。
特に好ましい実施形態では、これに関して、平面コイル同士の間ごとに、絶縁材料の１つの層のみが存在するようになっている。絶縁材料として、例えば、プリプレグベースの電気絶縁材料が差し込まれる。
特に好ましいアプローチでは、複数の平面コイルが、層ごとに、１つの平面にて同時に生成され、次に、この層が重ね合わされて平面コイルアセンブリを形成する。特に、このようにして、発生器コイルの層を形成するための第１の平面コイル、第１の測定コイルの層を形成するための第２の平面コイル、および第２の測定コイルの層を形成するための第３の平面コイルが同時に製造される。好ましくは、平面ごとに３つ、４つ、または５つの平面コイルが製造される。このようにして、文献Ｄ１～Ｄ１０（非特許文献１及び特許文献１～９）にて詳細に説明されている種々のコンセプトのセンサーヘッドが、プリント回路基板（ＰＣＢ）コイル技術を使用して構築されるようにする。したがって、異なるコイルの平面コイルユニットは、1つのプロセスで構造形成されて位置決めされる。製造工程では、コイルのサポート部と、機械的な高精度のホルダー部とが一体に形成される。
好ましくは、プロセスは次のステップを含む。
リソグラフィーによる、平面コイルを使用した対称的な構築。
コンピュータ支援製造により、特にはリソグラフィーにより、設計による対称性の破れはほとんどない。たとえば、対称的に構築された平面コイルまたは平面コイルの束を相互に接続して、完全にバランスの取れたブリッジ回路を形成することができる。特には、対称をなすように構築された平面コイルユニットを重ね合わせて相互に接続し、Ｈブリッジ回路を形成することができる。このようにして、非常にバランスの取れたブリッジ回路を構築でき、さらには、小さな信号についても非常に正確な測定が可能になる。手巻きのコイルまたは個別に配置されたコイルは、製造公差に起因する対称性の違いを示し、不均衡なブリッジにつながる可能性がある。
好ましくは、コイルの内側（特に平面コイルのらせん状に配置されたトラックの内側）に貫通接続が備えられることで、いずれも重ね合わされている個々の平面コイルを、ひとまとめのコイルに接続する。コイル内でも貫通接続を使用することにより、いわゆる埋め込みビアを回避でき、平面コイルの高い製造コストを回避できる。
貫通部または貫通開口部での貫通接続のコンセプトは別個独立の発明であり、請求項１に記載された厚さの特定がなくても請求可能である。
好ましくは、文献Ｄ１０（特許文献９）に好ましい実施形態として記載されているようなアセンブリが想定されている。これによれば、少なくとも１つの発生器コイルが中央に備えられ、その周りに複数の測定コイルが星形に配置されている。好ましくは、発生器の周りでの、１つまたは複数のコイルの点対称の配置構成が想定されている。一実施形態において、センサーヘッドは、コイルアセンブリに関して点対称である。
可能な限り薄くコンパクトな平面コイルを製造するために、内層コア間に１つの中間層（例えば、プリプレグ）のみを使用することが特に好ましい。
好ましくは、内層コアは、約４０μｍのオーダーの厚さの絶縁材料の層を有し、その上面および下面に、リソグラフィーでの露光及び表面構造形成が行われた、特には銅といった、導電性材料の層を有する。
リソグラフィー処理に続いて、内層コアは、好ましくは、それらの間の絶縁体としてプリプレグ中間層を用いて、相互に正確に合わせつつ積み重ねられる。
したがって、重ね合わされた平面コイルユニットの層が生成され、それらは真空プレスでひとまとめにされて積層される。
真空プレスで積層した後、中間層は、好ましくは３０μｍおよび７０μｍの厚さを有し、好ましくは約５０μｍのオーダーにある。
特に好ましい実施形態では、接点（コンタクト）パッドおよび接点（コンタクト）は非強磁性材料で構成される。特に、接点、接点パッド、および接続、特にはんだ付け接続などは、ニッケルを含まないようにして実現される。ニッケルは磁性を帯びており、したがって磁場を非対称的に方向付けしうるので、構成中にニッケルを使用しないことが好ましい。センサーにおける通常の電気的接触では、通常、ニッケルがパッドに適用され（たとえば、Cu-Ni-Au配置で）、腐食に対して長期的に接続を安定させる。このようなことは、本発明の好ましい実施形態では行われない。さらには、コイルの接触が、非磁性材料を使用して行われる。
好ましくは、センサーヘッドは、コイル巻線の周りに、専ら、断続した導体帯線または導体領域を備える。たとえば、コイルの周りにおける銅の領域が断続している。コイル巻線の周りの断続銅導体には、コイルの周りの渦電流が回避されるという利点がある。したがって、好ましくは、渦電流損失を最小限に抑えるべく、コイルの周りには、閉じた導体帯線がない。
以下では、本発明の好ましい実施形態およびそれらの利点をより詳細に説明する。
本発明は、特に誘導性部分・部材の製造に関する。誘導性部分・部材は、磁場を発生させることを特徴とする。これらのインダクタは、センサーおよびアクチュエータとして、目的に合うように、使用される。
磁気環境の変化は、好ましくはセンサーによって記録される。
好ましくは、アクチュエータに使用される場合、磁気環境の変化が誘発される。
発明の可能な使用の一形態では、２つの用途についても、１つのシステムで実施することができる。この場合、好ましくは、磁気伝達経路の変化を評価する。
磁場は、導体ループに印加された電流によって生成される。従前のセンサーヘッドでは、導体ループは、たとえば巻かれたワイヤー線によって形成されていた。本発明では、導体ループは、平面的に、好ましくはプリント回路基板にて、複数の層に形成されて、所望の磁場を生成するための適切なターン数（巻数）を実現する。
コンピュータ支援製造の利点は、データによって与えられるコイルの輪郭の決定と、これと結びついた、全体的なパフォーマンスにおける再現性である。たとえば、平面コイルは、プリント回路基板技術を使用して構築される。有利なことに、コイルについてのリソグラフィーの輪郭決定は、全体的な性能の再現性を与える。さらに、プリント回路基板技術を使用して製造された製品は、非常に優れた拡張性・可変適用性（scalability）を有して大量生産ができる。
好ましくは、プリント回路基板技術を使用するコイルの設計における、種々の特別な特徴を備えており、これらの特徴は、用途および製造可能性の観点から全体的なパフォーマンスを改善する。
平面コイルを重ねて形成するコイルの好ましい設計では、磁気伝導性材料を使用して磁場を強化する。たとえば、フェライトがコイルに挿入される。これらは、典型的には、コイルを通り抜けるように配置される。
この目的のために、貫通開口部がコイルに備えられることが好ましい。
一方、コイルをプリント回路基板技術で実現する場合、貫通接続には、従前、より大きな領域が必要であった。これにより、巻線に使用できるスペースが小さくなっているのであり、言い換えれば、貫通接続と、場合によって、突き抜けるように配置される、磁場を強化するための磁気伝導性材料は、平面図にて、コイル線の箇所に備えられるコイル線のウィンドウ領域に重大な制限をもたらす。
一実施形態では、貫通接続は、磁場を強化するのに使用される磁性導電性材料のための貫通孔からずらして配置される。貫通接続は、好ましくは、磁気伝導性材料のための貫通開口部の壁に沿って延びる。これにより、表面に必要な面積を大幅に削減できる。
特に好ましい実施形態では、コイルの構成において特別な対称性が備えられる。このことは、複数の平面コイルについての並列的なコンピュータ支援製造によって特に容易に達成できる。
センサー用途またはアクチュエータ用途のコイルの場合、システムを形成するためのコイルの相互接続は、多くの場合、前面にある。この場合、コイルの特に高度な対称性が有利である。特に差動測定用途の場合、測定用途のための測定信号の対称性は前面にある。この場合、設計データ中におけるコイルの幾何学的形状・特徴をマッピングすることによって、測定効果の対称性に対し、事前に影響を与えることができる。
したがって、本発明の特に好ましい実施形態は、以下のステップを備える。
測定効果についての予め設定された対称性に依存するCADデータ処理システムによるコイルの設計。
平面コイルにも奥行き（深さ寸法）があるので、ミラー対称性、点対称性、軸対称性に影響を与える可能性がある。
したがって、方法の好ましい実施形態は、以下のステップを含む。
平面コイルの設計におけるミラー対称性、点対称性、および軸対称性の少なくとも1つの形式の選択。
本発明によれば、そのような対称性は、データに基づく方法により製造されるコイルによって、プロセスに依存せずに確実に実現できる。
達成された対称性により、出力信号も非常に狭い帯域に保持される。多くの場合、このようにして初めて、多くの用途で差分実行方法を実現できる。平面コイルは、いずれもが、モノフィラメント構造を持つモノフィラーコイルでありうる。平面コイルの製造、及び、リソグラフィー製造データといった、対応する製造データへのコイルの幾何学的形状・特徴のマッピングにより、バイファイラー（二重巻き）コイルおよび多重フィラメントのコイル（マルチファイラーコイル）をも設計する自由度を実現できる。たとえば、バイファイラーコイルまたは複数のフィラメントを持つコイルを使用して、差動センサーを構築するのに用いることができる。たとえば、複数の差動センサーが、磁気発生器用の複数フィラメントのコイルとして備えられうる。
さらに、コイルスタックにおける巻線方向を入れ子（互い違い）にすることにより、磁気残留物を形成することができ、これは、例えば、小さな磁気変化にて、極端なセンサー出力信号に応答する。これにより目立ったフィールドが外部に伝播することなく、距離センサーとして、または、材料センサーとして使用できるセンサーが実現される。
この測定は、測定対象とは反対側の磁気基準ターゲットによっても補助されうる。
特に好ましい実施形態では、外側表面要素（外側の表面に位置する部分・部材）は、コイルアセンブリの外側または平面コイルの周りにセクター化され、その結果、それぞれのコイルの周りまたはその領域の周りに、閉じた導体ループが形成されない。このような設計の利点については、以下で詳しく説明する。
磁場はコイルによって誘導される。磁力線は、コイルの中心から垂直に伸び、外側で閉じているのが特徴である。このことから、外側に位置する表面要素にさえも磁気が浸見込む。交流磁場を使用すると、隣接する導電性領域に渦電流が発生しうるのであり、この渦電流は、実際の磁場に対抗する独自の磁場を形成する。
この影響は、外側表面要素を適切にセクター化することによって打ち消すことができる。強力なセクター化（たとえば２つより多い、５つより多い、８つより多い、または１０より多いセクターを形成するための、複数の断続部）により、磁場に高周波が発生する。対照的に、閉じた外側表面要素は、高周波挙動を弱める。
特に好ましい実施形態の場合、コイルの近くで使用されるすべての材料は、センサーコイルとして使用されるために、それらの磁気的挙動により選択される。特に、接触する導電体材料は、それらが強磁性でないように選択される。たとえば、はんだ付け面としてニッケル－金を使用することは、多くの場合推奨されない。堆積プロセスでのニッケルのアモルファス形成のために、フェライト箔が生じ得るからである。このフェライトにより、予期しない残留磁気が発生し、測定信号にヒステリシスが生じる。このようなヒステリシスは、接触または接続の材料としての強磁性材料を一貫して低減または回避することによって低減または回避することができる。
プリント回路基板（ＰＣＢ）上に製造されたコイル部分・部材の接続を適切に設計することにより、追加のピンまたは接点、またはプラグ／ソケットシステムを用いることなしに行うことも可能である。例えば、接触パッドは、プリント回路基板部材上に直接に備えられる。そのような接触パッドは、例えば、エッジ部に備えられうる。この場合、直角状に、または一つの平面に、特にはメイン平面、またはエッジ面の一つの平面に、備えられうる。一実施形態では、そのような接触パッドは、プリント回路基板部の主たるエッジの切り欠き部（切り取り部）の内部に備えられる。
プリント回路基板（ＰＣＢ）上に製造されたコイル部分・部材に直接に接続することにより、追加のピンや接点、またはその他のプラグ／ソケットシステムを不要にすることもできる。これにより、部分・部材の総数が減るだけでなく、未使用の部分・部材にも障害が発生しないため、システム全体の寿命が延びる。
好ましい実施形態においては、接続パッドのところで、追加的に表面領域を仕切ることによって、電気的および機能的な試験のための試験パッドが、追加で予め備えられる。この試験パッドについて、はんだ付け領域では、試験接触が行われていない。
重ね合わされた複数の平面コイルからなる、平面コイルの束ね合わせ（平面コイル束）を形成するための平面コイルのＣＡＤプリントアウト（ＣＡＤイメージ）であり、貫通接続の位置も示されている。 別の、特に好ましい実施形態についての図１と同様のＣＡＤプリントアウトである。 内層コアの模式図である。 リソグラフィープロセスの第１のステップで処理された内層コアについての模式図である。 リソグラフィープロセスの第２のステップで処理された内層コアについての模式図である。 リソグラフィープロセスに従って処理された内層コアの模式図である。 コイルを製造するためのさらなるプロセスステップの模式図である。 複数のデバイスユニットからなる内層コアの模式図である。 内層コアの一つのデバイスユニットについての模式図である。 平面コイル束の断面の写真である。 モノファイラー（一重巻き）およびマルチファイラー（多重巻き）平面コイルのＣＡＤプリントアウトについての相異なる実施形態（１）である。 モノファイラー（一重巻き）およびマルチファイラー（多重巻き）平面コイルのＣＡＤプリントアウトについての相異なる実施形態（２）である。 モノファイラー（一重巻き）およびマルチファイラー（多重巻き）平面コイルのＣＡＤプリントアウトについての相異なる実施形態（３）である。 モノファイラー（一重巻き）およびマルチファイラー（多重巻き）平面コイルのＣＡＤプリントアウトについての相異なる実施形態（４）である。 応力センサーまたはトルクセンサー用のセンサーヘッドを形成するための誘導性部材を示す、相異なる側からの写真である。この誘導性部材は、複数の平面コイルユニットが積層されて配置された平面コイルアセンブリを含む。 さらなる実施形態による、応力センサーまたはトルクセンサーのセンサーヘッドのための誘導性部材についての上方および下方からの写真である。 図６からの拡大図である。
一実施例について、添付の図面を参照して、以下に、より詳細に説明する。
以下には、平面コイルユニット１０が重ね合わされた平面コイルアセンブリ３２を製造するための方法についての相異なる実施形態が、図１～７を参照して詳細に説明される。この方法で、複数の平面コイルユニット１０が製造される。平面コイルユニット１０では、少なくとも１つの平面コイル１２、または、好ましくは複数の平面コイル１２が、コンピュータ支援製造によって、絶縁材料層１４上の１つの平面上に、共に製造される。
本発明の特に好ましい構成では、リソグラフィープロセスがコンピュータ支援製造に使用され、基板、特に可撓性プリント回路基板１６の表面が、ＣＡＤデータから生成されたパターンに従って露光される。次に、露光された領域、または露光されなかった領域が、エッチング除去されて、可撓性プリント回路基板１６の絶縁材料層１４の上に、導電体のパターンとしての平面コイル１２を形成する。
好ましくは、複数の平面コイル１２が、共通の、好ましくは可撓性のプリント回路基板１６の上に同時に作成される。このように形成された平面コイルユニット１０について、好ましくは機械によって、またＣＡＤの助けを借りて積層配置することにより、各平面コイル１２は、コンピュータの助けを借りて、正確に位置決めされて重ね合わされる。このようにして、複数の平面コイル１２が重ね合わされて形成されたコイル２０が形成される。ここで、重ね合わされ平面コイル１２のターン（巻線）２２は、いずれも、貫通接続２４によって互いに接続される。
図１は、ＣＡＤデータからのプリントアウト（イメージ）の第１の例示的な実施形態を示し、平面コイル１２の１つの設計、および、絶縁材料層１４上の貫通接続２４の配置について示している。
コイル２０の磁場を強化するために、強磁性材料で作られた磁束集束器（図示せず）をコイル２０の内部に挿入する。したがって、強磁性材料を受け入れるために、コイル２０の内部に貫通開口部２６が備えられる。
図１に示す実施形態では、外側貫通接続２４ａはコイル２０の外側に備えられ、内側貫通接続２４ｂはコイル２０の内側に備えられている。貫通開口部２６は、内側貫通接続24bがあるリング部分（リング領域）の内側に備えられている。平面コイル１２のターン（巻き線部）２２を配置することができる面領域は、外側の貫通接続２４ａが配置されるリング部分と、内側の貫通接続２４ｂが配置される内側リング部分との間に配置される。ターン２２は、コンピュータ支援製造（CAM）によって、残りの中間領域に最適に配置される。その結果、個々のターン２２の間には、最小の間隔が残るのであり、ターン２２を配置可能な面領域は、導電体１８からなる材料でもって最適に覆われる。
図２は、図１と同様の図であり、図１に示す実施形態よりも好ましい平面コイル１２の実施形態を示している。
図２に示す実施形態において、少なくとも内側貫通接続２４ｂは、貫通開口部２６と平面コイル１２との間のリング部分ではなく、貫通開口部２６の縁に直接備えられている。したがって、貫通接続２４ｂは、貫通開口部２６の内側に延びている。
上記に代えて、または上記ととともに、外側貫通接続２４ａは、平面コイル１２の周りの外側リング部分の領域内ではなく、絶縁材料層１４の外側に備えられることが想定される。
このことにより、平面コイル１２のターン２２に使用できる表面領域は、図１の実施形態よりもかなり大きくなる。さらに、貫通開口部の直径について、図１の実施形態に比べて、平面コイル１２のトータルの表面領域を増加させることなく、大幅に大きくすることができる。これにより、コイル２０内に大量の強磁性材料を配置することが可能になる。
方法の一実施形態において、個々の平面コイルユニット１０は、それぞれが、絶縁材料層１４とその上に配置された少なくとも１つまたは複数の平面コイル１２を、特には図２の実施形態にしたがって備えており、ＣＡＤデータに基づくコンピュータ制御下で正確に位置決めして積層される。この積層は、いずれの平面コイル１２同士の間にも、単一の絶縁材料層１４ののみが備えられるように行われる。この絶縁材料層１４は、例えばプリプレグから形成される。
リソグラフィープロセスを図３～６に示す。内層コア４０はリソグラフィーで処理される。内層コア４０は、通常、エポキシ樹脂と、ガラス布の内層４２とを含んでなる。内層コア４０の上面側および下面側には、導体材料層４４が配置されている。
リソグラフィープロセスの第１のステップでは、図４に示されるように、感光性フィルム４６およびフォトマスクフィルム４８が、被露光体５０の両面を覆うように配置される。
その後、被露光体５０に露光が行われる。この際、感光性フィルム４６は、露光された箇所にて硬化され、一方、感光性フィルム４６における露光されなかった箇所は、硬化されないままである。
露光に引き続いて、図５に示すように、フォトマスクフィルム４８と、感光性フィルム４６の非露光領域が除去される。
次のエッチングプロセスにおいて、露出した導体材料４４は、通常、アルカリ性溶液を使用して最終的にエッチング除去されるのであり、また、残りの硬化した感光性フィルム４６が除去される。図６に示すように、エポキシ樹脂及びガラス布から形成された層４２と、その上配置された導体材料４４のパターンとを含む構造５２が残る。
図７においては、図６の構造５２が複数積層され、ここでは２層が、好ましくは３～１５層が積層される。プリプレグ中間層５４が上記の構造５２の間に広げられて充填される。このように積層された構造５２は、最終的にプレスで押し合わされる。このようにして、絶縁材料と導体材料の層が、複数交互に生成される。
通常、図３～８にて示唆されるように、共通の内層コア４０上に複数のデバイスユニット５６が生成される。これにより、多量の個数までの量産が可能になる。
大面積のリソグラフィー処理の後、内層コア４０が個々のデバイスユニット５６に切断される。個々のデバイスユニット５６には、図９に示すように、通常、複数のコイル２０が配置され、好ましくは３つまたは５つのコイル２０が配置される。
図１０は、コイル２０を通る断面の写真を示しており、コイル２０は、本発明の方法の一実施形態に従って製造されている。貫通開口部２６を備えたコイルの中心が左側に示され、個々の平面コイル１２、及び、それらの間の絶縁材料を見てとれる。この積層された平面コイル１２の束ね合わせは、例えば、キャリア基板として機能するプリント回路基板（剛性のプリント回路基板要素３８）の開口部内に配置される。製造は、本明細書に記載のプロセスに従って行うことができる。その結果、図１０に見られるように、平面コイルユニットの層が生成され、それらは重ね合わされて層状に配置される。導電体１８から形成された個々の平面コイルユニットの間には、いずれも、絶縁材料の層が備えられ、この絶縁材料の層は、例えば、４０～５０μｍの厚さを有する。
本発明によると、コンピュータ支援製造（CAM）によって、常に、正確に同じ具合に平面コイル１２を製造し、及び／または、コンピュータ支援積層配置によって、常に、個々の平面コイル１２についての相互のシンメトリー性（均整）を達成し、並びに、個々の平面コイル１２の間の絶縁材料層を格段に薄くした実施形態を達成する。コンピュータ支援積層配置は、コンピュータを用いて重ね合わせて正確な位置決めすることによって、または、平面コイルユニット１０を層状に重ね合わさるように製造することによって達成されうる。
ｎ個積層された平面コイルユニット１０における、ｉ番目の平面コイルユニット１０の導電体１８についての平面コイル厚さｄｉ,ＰＳと、ｉ番目の平面コイルユニット１０の絶縁材料層１４の層厚さｄｉ,ＩＭとは、次のように選択される。すなわち、好ましくは、平面コイル厚さdｉ,ＰＳが、絶縁材料の層厚さdｉ,ＩＭ以上であるように（より大きいか、または等しいように）選択される。いずれの場合も、厚さdｉ,ＰＳおよび厚さdｉ,ＩＭは次のように選択される。
Figure 0007145229000004
ここで、
Figure 0007145229000005
は平面コイルの厚さdｉ,ＰＳの総計であり、
Figure 0007145229000006
は絶縁材料層の厚さdｉ,ＩＭの総計である。
このことから次のとおりとなっている。平面コイル１２のターン（巻線部）２２が配置されている表面領域上にて、をもたらし、コイルの束ね合わせの全体にわたって見て、導電体１８の材料（例えば、銅）の割合が、絶縁体材料層１４の絶縁材料と比較して大きい。このことにより、より小さな体積にて、コイル２０に与えられた同じ電流で、より大きな電流密度、したがって、より強い磁場を生成できる。
コイル２０のコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）はまた、図１１ａに示されるようにモノファイラー（一重巻き）方式で、並びに、図１１ｂ～１１ｄに示されるようにマルチファイラー（多重巻き）で、個々の平面コイル２０を製造する代替・選択実施形態を提供する。
このようにして、互いに電気的に絶縁され、種々の方法で相互接続することができる、１つの巻線スパイラルまたは複数の巻線スパイラルを有する平面コイル１２を製造することができる。
これにより、同心円状に配置されたコイル２０ａ、２０ｂの製造が可能になり、これらコイルは異なる具合に接触を行うことができる。例えば、マルチファイラー（多重巻き）コイル２０の異なる重ね巻き性（ファイラ性）は、差動測定に使用される。別の例示的な実施形態では、入れ子になったコイル２０ａの一方は、磁気発生器コイルとして使用でき、他方は、測定コイルとして使用することができる。さらに別の例示的な実施形態では、複数の入れ子になったコイルを差動測定に使用することができる。さらに別の実施形態では、相異なる、入れ子になったコイルを、ブリッジ回路の相異なる要素として使用することができる。
図１２は、誘導性部材（inductive element）３０の第１の実施例を示し、この誘導性部材３０は、第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ、および第３のコイル２０ｃを形成すべく、前述の方法に従って製造された平面コイルアセンブリ３２を有する。
誘導性部材３０は、アクチュエータまたはセンサーの一部として使用することができる。特に、誘導性部材３０は、文献Ｄ１～Ｄ１０に記載されているタイプのトルクセンサーまたは応力センサーにおけるセンサーヘッドの必須部分・部材として使用することができる。その場合、センサーヘッドは依然として強磁性増強材を含む。センサーヘッドの設計に関する詳細については、D10が引用・参照される。
センサーヘッドに使用する場合、第１のコイル２０ａは、例えば磁気発生器コイルとして使用して、例えば回転シャフトといった、応力の印加について測定される部材・部分にて磁場を生成するのに使用することができる。また、磁場の変化、特には応力の影響下での磁場の方向の変化を測定するにあたり、第２のコイル２０ｂは、ための第１の測定コイルとして機能し、第３のコイル２０ｃは第２の測定コイルとして機能する。
図１２に見られるように、コイル２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、いずれも、それぞれに重ね合わされた平面コイル１２によって形成されており、磁気増強のための材料が貫通して差し込まれ得る開口部２６を備えている。また、複数の貫通接続２４、２４ｂが、各貫通開口２６の内壁に備えられている。誘導性部材３０のさらなる実施形態が、図１３および１４に示されており、ここでは、第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ、および第３のコイル２０ｃに加えて、第４のコイル２０ｄおよび第５のコイル２０ｅが備えられている。第２～第５のコイル２０ｂ～２０ｅは、第１のコイル２０ａの周りに分布するようにして備えられている。第４のコイル２０ｄは第３の測定コイルを形成することができ、第５のコイル２０ｅは第４の測定コイルを形成することができる。
測定コイル（例えば、第２～第５のコイル２０ｂ～２０ｅ）の相互接続は、ドイツ特許出願DE 10 2017 112 913.8に詳細に記載および示されているように行うことができる。このドイツ特許出願が、さらなる詳細に関して明示的に引用・参照される。
特に、この場合の測定コイルは、発電コイルとして機能する第１のコイル２０ａの周りに、いわゆるＸ配置で配置されている。
個々のコイル２０、および／または、誘導性部材３０に備えられる任意の他の電子構成要素の電気的接続のための接触パッド３４ｂは、好ましくは、誘導性部材３０の少なくとも１つの外縁エッジ部に配置される。
図１２に示す例示的な実施形態では、接触パッドは片側に配置されている。図１３および図１４に示される誘導性部材３０の例示的な実施形態では、接触パッド３４は、誘導性部材３０の互いに向き合う両側にて、長方形の切り取り部（凹部）３６の内部に備えられる。詳細Ａによって示されるように、接触パッドの１つは、試験パッドとして形成することができる。
図１２および１３にしたがうセンサーヘッドに使用される誘導性部材３０を製造するための方法についての好ましい実施形態は、文献D11（特許文献１０）で説明されている基本原理から知られるように、個々のコイル２０、２０ａ～２０ｅのための空洞が、剛性のプリント回路基板要素３８に形成されていることが想定されている。
コイル２０ａ～２０ｅの個々の層を形成する個々の平面コイル１２は、上述のように、可撓性プリント回路基板１６上に平面コイルユニット１０としてまとめて製造されるのであり、それぞれに複数の平面コイルを有するｎ個の平面コイルユニット１０が、コンピュータ制御下で積層されて配置されるか、またはコンピュータ制御下で積層されて製造される。したがって、個々の平面コイル１２から形成されたコイル２０、２０ａ～２０ｅが積層された平面コイルアセンブリ３２が形成される。
本発明の一実施形態では、個々のコイルは、カッティングパンチによってまとめて切り出され、剛性プリント回路基板部材３８の個々の空洞に移送される。
本発明の別の実施形態では、平面コイルユニット１０を層状に重ね合わして形成される平面コイルアセンブリ３２が、誘導性部材３０として使用され、その結果、剛性のプリント回路基板部材３８は必要とされない。
図１および２に示されるように、コイル２０は、例えば、平面コイル12あたりにトータルで４～１００個のターンから（４～１００の巻き数で）、例えば１５個のターンから製造することができる。ここで、n = 8の層が重ねられて用いられる。好ましくは、ｎは３～１５の範囲にある。
図1に示すように、ターン（巻線）の表面領域の内側と外側にあるリング部分で貫通接続を使用する場合、輪郭の箇所の銅の量は、たとえば、典型的には0.3mmに設定できる。
図２に示すように、貫通接続が輪郭の箇所に備えられる場合、ターン（巻線）２２による表面の使用割合は、大幅に改善される。
１０ 平面コイルユニット
１２ 平面コイル
１４ 絶縁材料層
１６ フレキシブルプリント回路基板
１８ 導電体
２０ コイル
２０ａ 第１のコイル
２０ｂ 第２のコイル
２０ｃ 第３のコイル
２０ｄ 第４のコイル
２０ｅ 第５のコイル
２２ ターン（巻線部）
２４ 貫通接続
２４ａ 外部貫通接続
２４ｂ 内部貫通接続
２６ 貫通開口
３０ 誘導性部材
３２ 平面コイルアセンブリ
３４ コンタクトパッド
３６ 休憩
３８ リジッド（剛性）プリント回路基板部材
４０ 内層コア
４２ エポキシ樹脂とガラス布の層
４４ 導体材料
４６ 感光フィルム
４８ フォトマスクフィルム
５０ 被露光体
５２ （図６の）構造
５４ プリプレグ中間層
５６ デバイスユニット

Claims (5)

  1. ｎ個の平面コイルユニット（１０）が重ね合わされた平面コイルアセンブリ（３２）を製造するための製造方法であって、ｎは１より大きい自然数であり、下記ａ）及びｂ）を含み、ステップａ）は下記のステップａ６）～ａ７）及びａ１０）を含み、下記ｄ）及び下記６．１～６．３のすべてを特徴とする製造方法。
    ａ）コンピュータ支援製造により、電気絶縁材料から作られた厚みdｉ,ＩＭの絶縁材料層（１４）の上に、導電体から作られて平面コイル厚さdｉ,ＰＳを有する少なくとも1つの平面コイル（１２）を製造することによって、i番目の平面コイルユニット（１０）を作成する。ここで、iは1からnに等しい。
    ｂ）平面コイル（１２）同士の間に絶縁材料層（１４）を挟み込むようにして、平面コイルユニット（１０）を積層して配置する。
    ここで、厚みｄｉ,ＰＳおよびdｉ,ＩＭは、下式を満たすように選択される。
    Figure 0007145229000007
    ａ６）平面コイルユニット（１０）ごとの、絶縁材料層（１４）上への少なくとも１つの平面コイル（１２）のコンピュータ支援製造。ここでの絶縁材料は、プリント回路基板のベース材料、プリプレグ層、及び合成樹脂材料を含む、絶縁材料の群から選択される。
    ａ７）互いに分離された複数のコイルトラックを有する少なくとも１つの平面コイル（１２）の製造。
    ａ１０）マルチファイラー（多重巻き）コイル（２０）における、入れ子になったコイル（２０ａ）の一方は、磁気発生器コイルとして使用し、他方は、測定コイルとして使用する。
    ｄ）平面コイルユニット（１０）における重ね合わされた平面コイル（１２）の中心を通る少なくとも１つの貫通開口部（２６）を形成する。
    ６．１ 少なくとも１つの貫通開口部（２６）にて、少なくとも１つの貫通接続（２４）を使用して、重ね合わされた平面コイル（１２）を電気的に接続する。
    ６．２ 磁束集束器を少なくとも１つの貫通開口部（２６）に挿入する。
    ６．３ ステップａ）の前、および／または、ステップｂ）の前またはステップｂ）の後に、絶縁材料層（１４）が貫通開口部（２６）の各領域に備えられるように、ステップｄ）を実行する。
  2. ｎ個の平面コイルユニット（１０）が重ね合わされた平面コイルアセンブリ（３２）を製造するための製造方法であって、ｎは１より大きい自然数であり、下記ａ）及びｂ）を含み、ステップａ）は下記のステップａ６）～ａ７）及びａ９）を含み、下記ｄ）及び下記６．１～６．３のすべてを特徴とする製造方法。
    ａ）コンピュータ支援製造により、電気絶縁材料から作られた厚みd ｉ,ＩＭ の絶縁材料層（１４）の上に、導電体から作られて平面コイル厚さd ｉ,ＰＳ を有する少なくとも1つの平面コイル（１２）を製造することによって、i番目の平面コイルユニット（１０）を作成する。ここで、iは1からnに等しい。
    ｂ）平面コイル（１２）同士の間に絶縁材料層（１４）を挟み込むようにして、平面コイルユニット（１０）を積層して配置する。
    ここで、厚みｄ ｉ,ＰＳ およびd ｉ,ＩＭ は、下式を満たすように選択される。
    Figure 0007145229000008
    ａ６）平面コイルユニット（１０）ごとの、絶縁材料層（１４）上への少なくとも１つの平面コイル（１２）のコンピュータ支援製造。ここでの絶縁材料は、プリント回路基板のベース材料、プリプレグ層、及び合成樹脂材料を含む、絶縁材料の群から選択される。
    ａ７）互いに分離された複数のコイルトラックを有する少なくとも１つの平面コイル（１２）の製造。
    ａ９）互いに軸対称または点対称に配置された、平面コイルユニットごとの、少なくとも第１、第２、第３および第４の測定平面コイルと、中央の磁気発生器平面コイルとの製造。
    ｄ）平面コイルユニット（１０）における重ね合わされた平面コイル（１２）の中心を通る少なくとも１つの貫通開口部（２６）を形成する。
    ６．１ 少なくとも１つの貫通開口部（２６）にて、少なくとも１つの貫通接続（２４）を使用して、重ね合わされた平面コイル（１２）を電気的に接続する。
    ６．２ 磁束集束器を少なくとも１つの貫通開口部（２６）に挿入する。
    ６．３ ステップａ）の前、および／または、ステップｂ）の前またはステップｂ）の後に、絶縁材料層（１４）が貫通開口部（２６）の各領域に備えられるように、ステップｄ）を実行する。
  3. 下記ｃ）を特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
    ｃ）平面コイルユニット（１０）における重ね合わされた複数の平面コイル（１２）を電気的に接続することで、少なくとも１つの磁気コイルを形成する。
  4. ステップｂ）において、厚さdｉ,ＩＭを有する単一の絶縁材料層（１４）のみが、いずれの平面コイル（１２）同士の間にも配置される、請求項１～３のいずれかに記載の製造方法。
  5. 磁場を発生させるための発電コイルと、測定体に誘起される磁場の変化を測定するための少なくとも第１および第２の測定コイルとを含む、トルクまたは応力センサー用のセンサーヘッドを製造する方法であって、磁気発生器コイルおよび測定コイルを製造するために、請求項１～４のいずれかに記載の方法を実行することを含む製造方法。
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