DE10159437B4 - Drehwinkelsensor - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist:
– eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Magnetsegment (104.1, 104.2),
– eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Flußleitstücken (102, 103), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung (105) zueinander angeordnet sind und die auf dem ASIC-Gehäuse (101) des integrierten Schaltkreises ASIC (1) angeordnet sind,
– wenigstens eine magnetempfindliche Sensor-Einheit (101H), die in einem integrierten Schaltkreis ASIC (1) mit einem ASIC-Gehäuse (101) und die gegenüber einer der Abstandsausnehmungen (105) angeordnet ist,
– wobei die Rotoreinheit gegenüber der Statoreinheit so angeordnet ist, daß die Flußleitstücke (102, 103) und das Magnetsegment (104.1, 104.2; 114; 124.1, 124.2; 134.1, 134.2, 134.3) unter Belassung eines Luftspalts (106) wenigstens teilweise zueinander zu bewegen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (102, 103) in Dünn- oder Dickschichttechnik auf dem ASIC-Gehäuse (101) des integrierten Schaltkreises ASIC (1) aufgebracht sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist
• – eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Magnetsegment,
• – eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Flussleitstücken, die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung zueinander angeordnet sind und die auf dem ASIC-Gehäuse des integrierten Schaltkreises ASIC angeordnet sind,
• – wenigstens eine magnetempfindliche Sensor-Einheit, die in einem integrierten Schaltkreis ASIC mit einem ASIC-Gehäuse und die gegenüber einer der Abstandsausnehmungen angeordnet ist,
• – wobei die Rotoreinheit gegenüber der Statoreinheit so angeordnet ist, daß die Flussleitstücke und das Magnetsegment unter Belassung eines Luftspalts wenigstens teilweise zueinander zu bewegen sind.
• Ein solcher Drehwinkelsensor ist aus der DE 197 39 682 bekannt. Hierbei werden die Flussleitstücke und die Hallsensoren bzw. die integrierten Schaltkreise mit dem Hallsensor teil getrennt voneinander gefertigt und bei einem nachfolgenden Schritt der Herstellung zusammengefügt bzw. ohne direkte Verbindung relativ zueinander angeordnet. Nachteilig ist die Größe der Flussleitstücke, die, durch das Herstellungsverfahren bedingt, nicht weiter reduziert werden kann. Weiterhin ist die Anordnung von Hallsensor(en) zu den Flussleitstücken nicht exakt definiert und erfordert entweder aufwendige Justierarbeiten oder führt zu einer Ungenauigkeit des Sensors im Betrieb.
• Ein weiterer Drehwinkelsensor gemäß DE 693 21 629 T2 weist keinen ASIC-Schaltkreis auf. Die Position 204 in 1 der genannten Schrift stellt vielmehr einen Hallsensor (204) dar, der zwischen Flussleitstücken angeordnet ist. Am ehesten mit dem vorgesehenen ASIC-Schaltkreis in dem ASIC-Gehäuse vergleichbar ist die mit 245 bezeichnete Druckschaltungsplatte. In diese ist der Hallsensor 204 eingelötet, wie die Schnittansicht in 2 zeigt. Insgesamt ergibt sich ein relativ großes Bauvolumen, bei dem eine hohe Messgenauigkeit schwer einzuhalten ist.
• Aus der Beschreibung der DE 42 15 641 ist ein weiterer Drehwinkelsensor bekannt, der eine Rotoreinheit mit Magnetsegmenten, magnetfeldempfindliche Sensoren und eine Statoreinheit mit zwei scheibenförmigen Flussleitstücken besitzt, wobei letztere auf dem Gehäuse der Sensoren angeordnet sind.
• In 1 ist in der Zeichnung ein gattungsgemäßer Drehwinkelsensor gezeigt.
• Bei dem Drehwinkelsensor dreht sich um zwei mandarinenscheibenförmige Flussleitstücke 2,3, die zwischen sich eine Ab standsausnehmung lassen, ein Ringmagnet 4, der von einer Ringmagnetaufnahme 5 gehalten wird. Mit der Ringmagnetaufnahme ist eine Welle 15 verbunden. Die Welle bewegt sich in einer Buchse 13, die mit einem Sicherungsring 14 abschließt und um die ein O-Ring 16 gelegt ist.
• In die Abstandsausnehmung zwischen den beiden Flussleitstücken 2,3 sind zwei Schaltkreise ASIC 1 angeordnet. Jedes ASIC weist eine Hall-Einheit 1.H auf, die mit weiteren Schaltkreiselementen zusammenarbeitet und vorzugsweise in integrierter Schaltkreistechnik ausgeführt ist. Der Schaltkreis mit der Hall-Einheit ist von einem ASIC-Gehäuse umgeben.
• Die Flussleitstücke werden mit Hilfe einer Statorfixierung 6 gehalten. Unter der Statorfixierung dreht sich der Ringmagnet 4, der aus zwei Ringsegmenten 4.1, 4.2 mit entsprechender magnetische Polung ausgebildet ist.
• Auf der Statorfixierung 6 befindet sich eine Leiterplatte 7, in der die Anschlüsse der beiden ASIC's hineingeführt werden. Darüber hinaus können auf der Leiterplatte 7 weitere Bauelemente 8 angeordnet werden.
• Umschlossen ist die Stator- und die Rotoreinheit von einem Gehäuse 9. In dem Gehäuse 9 wird die Buchse 13 gehalten. Darüber hinaus umgibt das Gehäuse 9 einen Flachstecker 11, der von einem Steckereinsatz 12 gehalten wird.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drehwinkelsensor anzugeben, bei dem das Bauvolumen des Sensors verringert und seine Herstellung vereinfacht ist. Gleichzeitig soll die Meßgenauigkeit des Drehwinkelsensors erhöht werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Aufbringen der Flussleitstücke in Dünn- oder Dickschichttechnik auf dem ASIC-Gehäuse das Bauvolumen des Sensors auf etwa 1/3 verringert wird. Darüber hinaus lassen sich die Flussleitstücke wesentlich genauer gegenüber der Hall-Einheit positionieren. Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit des miniaturisierten Drehwinkelsensors.
• Unter Dickschichttechnik wird ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen verstanden. Mittels Siebdrucktechnik werden leitfähige oder dielektrische Pasten auf Substrate oder Trägerplättchen aufgedruckt. Die Pasten werden bei etwa 500°C eingebrannt und ergeben je nach Zusammensetzung Leiterzüge, Widerstände oder Isolationsschichten. Sie können auch ferromagnetische Körper ergeben. Die aufgedruckten Schichten sind etwa 5 bis 10 mm dick und damit etwa zehnmal stärker als die durch Aufdampftechnik hergestellten Schichten nach der Dünnschichttechnik.
• Bei der Dünnschichttechnik werden die elektronischen Bauelemente, ferromagnetischen Körper oder Schaltkreise durch Verfahren der Aufdampftechnik im Vakuum oder durch Kathodenzerstäubung hergestellt. Auf ein Substrat werden durch Masken hindurch Metallfilme oder dielektrische Filme von meist weniger als 1 mm Dicke aufgedampft (Aufdampftechnik).
• Beide Techniken eignen sich hervorragend dazu, Flussleitstücke unterschiedlichster Konfigurationen in kleinster Dicke zu realisieren. Durch die sehr dünnen Schichten reduziert sich das Gewicht der Statoreinheit ganz wesentlich.
• Das ASIC-Gehäuse selbst kann rechteckig, quadratisch, rund oder in einer anderen geometrischen Form ausgebildet werden. Die ursprüngliche Form des ASIC-Gehäuse ist an und für sich, wie die 1 zeigt, rechteckig mit entsprechenden Abschrägungen. Durch den Einsatz des ASIC-Gehäuses als Trägerelement für die Flussleitstücke bietet sich vorteilhafterweise die runde Konfiguration an. Um das runde ASIC-Gehäuse mit den entsprechend ausgebildeten Flussleitstücken kann der Ringmagnet unter Belassung eines geringen Luftspalts rotieren.
• Es ist auch möglich, dass Magnetsegmente in entsprechender Konfiguration stehen und sich gegenüber diesen stehenden Magnetsegmenten das ASIC-Gehäuse mit den entsprechend ausgebildeten Flussleitstücken bewegt. In diesem Fall muß die Hall-Einheit nicht unbedingt im Zentrum des ASIC-Gehäuses angeordnet sein, sondern dort, wo es für den funktonstechnischen Aufbau im Miniatur-Drehwinkelsensor erforderlich ist.
• Das ASIC-Gehäuse kann aus einem magnetisch nicht leitendem Material bestehen. Dieses magnetisch nicht leitende Material kann ein Kunststoff, Keramik, Kupfer oder Aluminium sein.
• Im ASIC-Gehäuse kann magnetempfindliche Sensor-Einheit nicht nur eine Hall- sondern auch eine magnetoresistive Einheit angeordnet sein.
• Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe darüber hinaus durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Die hiermit erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass nach einer Vielzahl von Jahren überraschend gefunden wurde, dass das ASIC-Gehäuse außer der Schutzfunktion eines Gehäuses auch Funktion einer Trägerplatte für die Flussleitstücke übernimmt. Hierdurch verringert sich wesentlich das Bauvolu men des Drehwinkelsensors, verbunden mit einer Erhöhung der Meßgenauigkeit. Dadurch ist es möglich, einen derartigen Drehwinkelsensor in der Mikromechanik zum Einsatz zu bringen.
• Die Flussleitstücke sind dabei nach dem Dünn- oder Dichtschichtverfahren auf dem ASIC-Gehäuse in entsprechender Konfigurationslage und abmessungsgenau aufgeformt worden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 und 3 der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
• 2 eine Draufsicht auf einen teilweise schematisch dargestellten Drehwinkelsensor,
• 3 einen Schnitt durch einen Drehwinkelsensor gemäß 2 entlang der Linie III – III und
• 4a) bis 4c) verschiedene Ausführungsformen eines Magnetsegments.
• In 2 ist auf einem ASIC-Gehäuse 101 des in 1 gezeigten Schaltkreis-ASIC's 1 ein Flussleitstück 102 und diesem gegenüberliegend ein weiteres Flussleitstück 103 aufgebracht. Beide Flussleitstücke 102, 103 sind mandarinenscheibenförmig ausgebildet. Die Ecken zur Abstandsausnehmung 105 können entsprechend gerundet werden, um Konzentrationen des magnetischen Feldes zu verringern, das durch einen um die beiden Flussleitstücke rotierenden Ringmagneten 104 erzeugt wird. Der Ringmagnet 104 besteht aus zwei Ringmagnetsegmenten 104.1 und 104.2, die entgegengesetzt magnetisch gepolt sind. Jedes Ringmagnetsegment besteht aus zwei übereinander angeordneten Segmenten. Die Ringmagnetsegmente 104.1, 104.2, können teilkreisförmig, insbesondere, wie in 2 gezeigt, halbkreisförmig ausgebildet werden. Anstelle des Ringmagnets 104 kann nur eines der Ringmagnetsegmente 104.1 oder 104.2 zum Einsatz kommen.
• Zwischen dem Ringmagnet 104 und den beiden Flussleitstücken 102, 103 wird ein Luftspalt 106 ausgebildet, wie insbesondere 3 zeigt.
• Aus 3 wird darüber hinaus deutlich, dass die beiden Flussleitstücke 102, 103 gegenüber dem an sich sehr schmalen ASIC-Gehäuse 101 sehr dünn ausgebildet werden können. Beide Flussleitstücke sind in Dünn- bzw. Dickschichttechnik in der mandarinenscheibenförmigen Konfiguration auf dem ASIC-Gehäuse 101 aufgebracht worden.
• Die Konfiguration des ASIC-Gehäuses 104 ist an die in 2 gezeigte Konfiguration nicht gebunden. Das ASIC-Gehäuse kann sowohl rund als auch segmentförmig ausgebildet werden. Es kann sich in seiner Konfiguration den entsprechenden Drehwinkelsensortypen anpassen, die bereits realisiert sind.
• So kann das ASIC-Gehäuse 101 teilringförmig ausgebildet sein. Auf diesem teilringförmig ausgebildeten Gehäuse 101 können die beiden Flussleitstücke ebenfalls teilringförmig aufgebracht sein und zwischen sich die Abstandsausnehmung 105 freilassen. Die Hall-Einheit 101.H kann dabei am Ende zwischen den beiden Flussleitstücken 102, 103 im ASIC-Gehäuse 101 gehalten werden. Hierbei übernimmt die Abstands ausnehmung 105 zugleich die Funktion des Luftspalts 106, in den das Ringmagnetsegment 104.1 oder 104.2 sichelförmig einfährt und hierdurch die entsprechenden Signale erzeugt.
• Das Ringmagnetsegment kann aber auch noch andere Ausführungsformen haben, wie die 4a) bis 4b) zeigen.
• 4a) zeigt einen rechteckig ausgebildeten Stabmagneten. Er ist etwa so lang, wie der größte äußere Abstand der Flussleitstücke 102, 103. Er kann aber auch kürzer ausgebildet werden.
• 4b) zeigt einen als Kreis ausgebildeten Magneten 124, der aus einer Nord- und einer Süd-Halbscheibe 124.1, 124.2 besteht.
• Zur Einsparung teueren Magnetwerkstoffes ist gemäß 4c) ein Magnetstreifen mit seitlichem Nord- und Südpol versehen, wobei am Nordpol N eine Teilkreisscheibe 134.2 und am Südpol S eine Teilkreisscheibe 134.3 angeordnet ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels, die wenigstens aufweist: – eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Magnetsegment (104.1, 104.2), – eine Statoreinheit mit wenigstens zwei Flußleitstücken (102, 103), die unter Belassung wenigstens einer Abstandsausnehmung (105) zueinander angeordnet sind und die auf dem ASIC-Gehäuse (101) des integrierten Schaltkreises ASIC (1) angeordnet sind, – wenigstens eine magnetempfindliche Sensor-Einheit (101H), die in einem integrierten Schaltkreis ASIC (1) mit einem ASIC-Gehäuse (101) und die gegenüber einer der Abstandsausnehmungen (105) angeordnet ist, – wobei die Rotoreinheit gegenüber der Statoreinheit so angeordnet ist, daß die Flußleitstücke (102, 103) und das Magnetsegment (104.1, 104.2; 114; 124.1, 124.2; 134.1, 134.2, 134.3) unter Belassung eines Luftspalts (106) wenigstens teilweise zueinander zu bewegen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (102, 103) in Dünn- oder Dickschichttechnik auf dem ASIC-Gehäuse (101) des integrierten Schaltkreises ASIC (1) aufgebracht sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Flußleitstücke (102, 103) mandarinenscheibenförmig, streifenförmig oder segmentförmig ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC-Gehäuse (101) rechteckig, quadratisch oder rund ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ASIC-Gehäuse (101) als magnetempfindliche Sensor-Einheit eine magnetoresistive Einheit oder eine Hall-Einheit (101H) angeordnet ist.
5. Verwendung eines ASIC-Gehäuses (101) eines integrierten Schaltkreises ASIC (1) mit einer magnetempfindlichen Sensor-Einheit (101H), die gegenüber einer der Abstandsausnehmungen (105) wenigstens zweier Flußleitstücke (102, 103) einer Statoreinheit angeordnet ist, denen gegenüber eine Rotoreinheit mit wenigstens einem Magnetsegment (104.1, 104.2; 114; 124.1, 124.2; 134.1, 134.2, 134.3) verstellbar ist, derart, dass die Flußleitstücke (102, 103) nach dem Dünn- oder Dickschichtverfahren auf dem ASIC-Gehäuses (101) aufgebracht sind.