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Dokumentenidentifikation DE202004002348U1 03.06.2004
Titel Kurbelwellengeber
Anmelder AB Elektronik GmbH, 59368 Werne, DE
Vertreter Wenzel & Kalkoff, 58452 Witten
DE-Aktenzeichen 202004002348
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 03.06.2004
Registration date 29.04.2004
Application date from patent application 13.02.2004
IPC-Hauptklasse G01P 3/488
IPC-Nebenklasse G01D 5/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung mit

  • – einem Sensorträger, an dessen stirnseitigem Ende ein Sensorelement angebracht ist,
  • – und einem Schaltkreisträger mit mindestens einem elektrischen Bauelement, wobei das Sensorelement an dem Schaltkreisträger angebracht und elektrisch mit der Schaltung verbunden ist.

Eine derartige Gebervorrichtung kann bspw. zum Detektieren der Bewegung eines bewegten Teils verwendet werden, insbesondere zur Drehzahlmessung. Ein Sensorträger dient zum Halten und Positionieren, sowie zum Anschluß eines elektrischen Sensorelements, insbesondere eines Hall-Sensors. Die stirnseitige Anordnung des Sensorelements am Sensorträger erlaubt es, das Sensorelement nahe an dem zu überwachenden Teil zu positionieren.

Eine Gebervorrichtung der vorgenannten Art ist in der DE-U1-295 06 198.7 der Anmelderin beschrieben. Ein Hall-Sensorelement ist auf einer Platine mit weiteren Beschaltungselementen aufgebracht. Die Platine ist stirnseitig an einem zylindrischen Magnetkern angebracht, quer zu dessen Längsrichtung. Der Magnetkern ist von einem Gehäuse umgeben, an dem Steckkontakte zum Anschluß eines Steckers befestigt sind. Die Steckkontakte sind über Kontaktleitungen, die in Ausnehmungen der Schaltkreisträger eingreifen, mit der elektrischen Schaltung verbunden. Eine Schutzhülse mit einer Vergußmasse deckt Sensorelement, Schaltkreisträger und Magnetkern ab.

Mit einer solchen Gebervorrichtung kann das Sensorelement direkt am stirnseitigen Ende angeordnet werden. Die ebenfalls stirnseitige Anordnung des Schaltkreisträgers führt aber zu engen Vorgaben bei der Wahl der Geometrie des Sensorträgers. Es hat sich auch herausgestellt, daß das Aufstecken des Schaltkreisträgers auf Kontaktleitungen sowie das Verkleben eine sehr genaue Fertigung erfordert, damit es nicht zu einem Verkanten des Schaltkreisträgers und einer so ungünstigen Lage des Sensorelementes kommt. Außerdem ist das Sensorelement bei der bekannten Gebervorrichtung nicht unmittelbar am Magneten angeordnet, sondern durch den Schaltkreisträger von diesem getrennt.

In der DE 43 40 177 ist eine Gebervorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung weist ein stabförmiges Gehäuse mit einer Schutzhülle auf, bei dem der eigentliche Sensor in unmittelbarer Nähe der Stirnwand der Schutzhülle angeordnet ist. Hier ist ein Permanentmagnet vorgesehen, an dessen Stirnseite ein Hall-Generator befestigt ist. Die Leitungen des Hall-Generators sind mit einer Leiterplatte verlötet, die längs in der Gebervorrichtung angeordnet ist. Die Funktionselemente sind mit einer aushärtbaren Vergußmasse eingegossen.

In der DE 44 05 438 ist ebenfalls eine Gebervorrichtung beschrieben. In einem topfförmigen Gehäuse ist ein Permanentmagnet nahe dem stirnseitigen Ende angeordnet. Vor diesem ist ein Hall-Sensor angebracht, der mit einer Erfassungsschaltung auf einer längs angebrachten Leiterplatte verbunden ist. Elastische Federarme drücken das Sensorelement in Richtung des stirnseitigen Endes.

In der US 5,814,985 und EP 729 582 ist eine Gebervorrichtung beschrieben. Ein Hall-Sensorelement ist vor einem Magnetelement angeordnet. Das Magnetelement weist hinter dem Hall-Sensorelement ein zylindrisches Loch auf. Hierdurch ergibt sich eine Feldverteilung des magnetischen Feldes vor dem Magnetelement, bei der an einem singulären Punkt die Feldstärke Null ist. Durch die Präsenz eines weichmagnetischen Körpers vor dem Geber ändert sich die Feldverteilung, und der singuläre Punkt verlagert sich. Der Geber kann zur Positionsdetektion eines Zahnrades eingesetzt werden, wobei das Sensorelement so angeordnet ist, daß sich je nach Anordnung eines Zahns oder einer Lücke vor dem Geber die Polarität des Feldes am Ort des Sensorelements ändert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gebervorrichtung anzugeben, mit der auf einfache Weise ein mit einer elektrischer Schaltung verbundenes Magnet-Sensorelement in einer für die Verwendung als Positionssensor günstigen Lage angeordnet werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gebervorrichtung nach Anspruch 1. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Gebervorrichtung sieht am Sensorträger einen Aufnahmebereich für den Schaltkreisträger vor. In diesem Aufnahmebereich ist der Schaltkreisträger in einer Lage längs des Sensorträgers aufgenommen. Der Schaltkreisträger ist bevorzugt von flacher Form, bspw. als herkömmliche Schaltkreis-Platine mit darauf aufgebrachten elektrischen Bauelementen und Leiterbahnen.

Ein Hall-Sensorelement ist an einem Ende des Schaltkreisträgers angebracht. Es steht von dem Schaltkreisträger vor, bevorzugt senkrecht zu einem flachen Schaltkreisträger. Der Schaltkreisträger ist im Aufnahmebereich so angeordnet, daß das vorstehende Sensorelement stirnseitig am Sensorträger zu liegen kommt. Der Sensorträger weist an seinem stirnseitigen Ende ein Magnetelement auf. Das stirnseitige Ende bildet bevorzugt ein Pol des Magnetelements.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß das Magnetelement eine erste Aussparung aufweist, in der das Sensorelement aufgenommen ist. Dies kann einerseits zur genauen Positionierung und auch zum mechanischen Schutz des Sensorelements vorteilhaft sein. Insbesondere kann das Sensorelement in der Aussparung an dem Magnetelement so angeordnet werden, daß es von dem Magneten umgeben ist. Dies erlaubt eine besonders intensive magnetische Kopplung für den Hall-Sensor.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß hinter dem Sensorelement eine zweite Aussparung im Magnetelement vorhanden ist. Diese kann, wie in der US 5,814,985 angegeben, zu einer günstigen Verteilung des magnetischen Flusses und damit für einen Sensor mit hoher Genauigkeit genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung weist eine Anzahl von Vorteilen auf. Die Form und Größe des Schaltkreisträgers ist nicht auf die Stirnfläche des Sensorträgers beschränkt. Das Sensorelement ist frei an der Stirnseite des Sensorträgers angeordnet. Dennoch ist die Gebervorrichtung von einfachem Aufbau. Die Herstellung der Gebervorrichtung ist durch Zusammensetzen eines vorgefertigten Schaltkreisträgers mit angebrachtem Sensorelement und den entsprechend geformten Sensorträger mit passendem Aufnahmebereich sehr einfach möglich.

Eine Vielzahl von Weiterbildungen der Erfindung sind möglich. Der Sensorträger weist bevorzugt im wesentlichen zylindrische Form auf. Er ist weiter bevorzugt von länglicher Form, d. h. seine Länge ist größer als seine Breite. Der Aufnahmebereich umfaßt bevorzugt eine Fläche, auf die ein flacher Schaltkreisträger aufgelegt wird. Der Sensorträger kann an einem Grundkörper so angebracht sein, daß er von diesem vorsteht. An dem Grundkörper kann eine Steckereinheit mit Steckkontakten sowie mindestens eine Befestigungsausnehmung vorhanden sein.

Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Aufnahmebereiches. Bevorzugt weist der Aufnahmebereich mindestens ein Längsführungselement zur Führung des Schaltkreisträgers beim Zusammenbau der Vorrichtung auf. Bevorzugt sind mindestens zwei solcher Längsführungselement vorhanden, die beim Anbringen des Sensorträgers diesen am Aufnahmebereich bei einer Bewegung in Längsrichtung des Sensorträgers führen. Es werden zwei Ausführungen vorgeschlagen, die allerdings auch kombiniert werden können. Bei einem Aufnahmebereich eines ersten Typs sind die Längsführungselemente als vom Aufnahmebereich vorstehende Stifte ausgebildet, die in entsprechende Schlitze des Schaltkreisträgers eingreifen. Bei einem Aufnahmebereich eines zweiten Typs sind Längsführungselemente durch seitlich am Aufnahmebereich angeordnete Erhöhungen gebildet, die den Schaltkreisträger an den Längskanten führen.

Durch eine solche Führung wird ein einfacher Zusammenbau der Gebervorrichtung erreicht, wobei eine sichere und genaue Lage des Schaltkreisträgers am Sensorträger erzielt wird. Der Schaltkreisträger weist hierbei an seinem zweiten Ende, das in montierter Lage dem ersten, stirnseitigen Ende gegenüberliegt, Kontaktflächen auf. Am Sensorträger sind hierzu passend bevorzugt bogenförmige Kontaktleitungen oberhalb des Aufnahmebereichs vorgesehen. Beim Zusammenbau kann der Schaltkreisträger im Aufnahmebereich in Längsrichtung verschoben werden, bis einerseits die Kontaktleitungen an den Kontaktflächen angeordnet sind und andererseits das Sensorelement in der Aussparung des Magnetelements aufgenommen ist. So kann auf einfache Weise der Anschluß der elektrischen Schaltung an die Steckkontakte erfolgen, bspw. durch Verlöten. Bevorzugt weisen die Kontaktleitungen einen freien Bogen von mehr als 90° auf, so daß auch bei starker thermischer und mechanischer Belastung eine Zugentlastung der Übergangsstelle zu den Kontaktflächen gewährleistet ist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Schutzhülse, die Sensorträger, Schaltkreisträger und Sensorelement umschließt. Diese Sensor-Bauelemente werden so vor äußeren Einwirkungen geschützt. Eine besonders gute Abdichtung ist zu erreichen durch eine bevorzugt ringförmige Ausnehmung am Grundkörper, in der ein Ende der Schutzhülse, das bevorzugt zu einem Dichtflansch ausgebildet ist, dichtend aufgenommen ist.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

1 in perspektivischer Ansicht eine Explosionszeichnung von Elementen einer ersten Ausführungsform einer Gebervorrichtung;

2 ein Querschnitt durch die Gebervorrichtung aus 1 im zusammengefügten Zustand;

3 eine perspektivische Detail-Ansicht eines Sensorträgers und Schaltkreisträgers einer zweiten Ausführungsform einer Gebervorrichtung.

In 1 sind in einer Explosionszeichnung Bestandteile einer Gebervorrichtung 10 dargestellt. An einem Grundkörper 12 ist eine Steckereinheit 14 mit einem Steckergehäuse und Steckkontakten 38 gebildet. Der Grundkörper 12 verfügt weiter über eine Befestigungsausnehmung 16 mit einer eingesetzten Anschraubbuchse 18. Der Grundkörper 12 besteht aus Kunststoff, die Anschraubbuchse 18 aus Messing.

Zur Vorderseite ragt aus dem Grundkörper 12 ein Magnetträger 20 heraus. Der Magnetträger 20 ist von länglicher Form, d. h. die Länge ist größer als die Breite. Die Form des Magnetträgers 20 ist im wesentlichen zylindrisch mit rundem, aber im oberen Bereich abgeflachtem Querschnitt. Der Magnetträger 20 ist nicht massiv sondern besteht aus längsverlaufenden Wandungen mit scheibenförmigen Querverbindungen (nicht dargestellt).

Der Magnetträger 20 besteht ebenfalls aus Kunststoff. Magnetträger 20 und Grundkörper 12 werden jeweils im Spritzgußverfahren hergestellt. Hierbei wird der Magnetträger 20 als Vorspritzling hergestellt. Der Grundkörper 12 weist eine Dichtnut 36 in Form einer ringförmig umlaufenden Vertiefung um den Magnetträger 20 auf.

Im stirnseitigen Ende des Magnetträgers 20 ist ein Permanent-Magnet 40 eingesetzt. Der Magnet 40 weist eine frontseitige Tasche 42 auf. In dem Magneten 40 ist zudem eine Ausnehmung vorhanden, hier in Form einer runden Bohrung in Längsrichtung.

Bei der gezeigten ersten Ausführungsform ist auf der Oberseite des Magnetträgers 20 ein flacher Aufnahmebereich 22 für eine Sensorplatine 30 gebildet. Der Aufnahmebereich 22 umfaßt eine Auflagefläche 24 mit einem leicht erhöhten umlaufenden Rand 26 sowie seitliche Begrenzungserhebungen 28 und einem Kontaktbereich 32. Der Aufnahmebereich 22 ist so gestaltet, daß die flache Sensorplatine 30 mit ihren Längskanten 31 zwischen den Seitenbegrenzungen 28 auf die Fläche 24 und den Rand 26 aufgelegt und dann in Längsrichtung des Magnetträgers 20 verschoben werden kann. Die Begrenzungserhebungen 28 führen zwischen sich dann die Längskanten 31 der Platine 30 und sorgen für eine genaue Ausrichtung und Positionierung.

Die in 1 dargestellten Elemente werden zu einem Geberelement 10 zusammengesetzt, indem die Platine 30 auf den Aufnahmebereich 22 aufgelegt und in Längsrichtung des Magnetträgers 20 eingeschoben wird. Die endgültige Lage ist in 2 im Schnitt dargestellt. In dieser Lage befinden sich die Kontaktflächen 48 im Kontakt mit den Kontaktleitungen 34 und sind dort verlötet. Der Sensor 50 befindet sich in der Tasche 42 des Magneten 40.

Die Sensorplatine 30 ist eine flache Platte von länglicher Form. Es handelt sich um eine herkömmliche Epoxy-Platine mit darauf angeordneten Leiterbahnen und elektrischen Bauelementen (nicht dargestellt). Am ersten, stirnseitigen Ende 44 der Platine 30 ist ein Hall-Sensorelement 50 angebracht. Bei dem Sensorelement 50 handelt es sich um einen integrierten, gekapselten Hall-Sensor mit vier Anschluß-Beinchen. Diese sind durch Bohrungen der Platine 30 hindurchgesteckt und festgelötet. So steht der Sensor 50 am Ende 44 der Platine 30 um eine Distanz vor, die größer als seine Breite ist.

Der Kontaktbereich 32 befindet sich am grundkörperseitigen Ende des Magnetträgers 20. Hier sind drei Kontaktleitungen 34 so angeordnet, daß ihre Kontakt-Enden oberhalb der Ebene des Aufnahmebereichs angeordnet sind. Beim Verschieben der Platine 30 in Längsrichtung des Magnetträgers 20 in Richtung des Grundkörpers 12 wird einerseits das Sensorelement 50 stirnseitig am Magnetträger 20 positioniert und andererseits der Kontaktbereich 32 mit den Kontaktleitungen 34 in Verbindung gebracht.

Die Enden der Kontaktleitung 34 sind nach oben gebogen, so daß die Sensorplatine 30 leicht darunter geschoben werden kann. Weiter weisen die Kontaktleitungen 34 einen freien, d. h. nicht in Kunststoff eingebetteten Entlastungsbogen von mehr als 90° auf.

Auf der Oberseite der Platine 30 sind an einem zweiten Ende 46 drei freie Kontaktflächen 48 gebildet. Die Anordnung und der Abstand dieser Kontaktflächen 48 entspricht den Kontaktleitungen 34 des Magnetträgers 20. Die Kontaktleitungen 34 werden mit den Kontaktflächen 48 verlötet. Auf der Platine 30 ist eine Schaltung zur Versorgung des Hall-Sensorelements 50 und zur Auswertung der vom Sensorelement 50 gelieferten Signale aufgebracht (nicht dargestellt). Der Anschluß dieser Schaltung an Versorgungsspannung und die Ausgabe von Signalen der Schaltung erfolgt über die drei Kontaktflächen 48.

Schließlich ist in 1 eine Schutzhülse 52 gezeigt, ebenfalls aus Kunststoff. Die Schutzhülse 52 ist stirnseitig abgeschlossen. Sie weist an ihrem offenen Ende einen Dichtflansch 54 auf, der in die Dichtnut 36 am Grundkörper 12 paßt.

Vor dem Auflegen der Platine 30 auf den Aufnahmebereich 22 wird auf die Fläche 24 eine Klebmasse gegeben, die nach dem Aushärten die Platine 30 fixiert. Der Sensor 50 ist in der Tasche 42 des Magneten 40 durch eine elastische Vergußmasse (nicht dargestellt) eingebettet.

In die Dichtnut 36 wird ebenfalls ein Klebstoff eingefüllt. Die Schutzhülse 52 wird über den Magnetträger 20 gestülpt, so daß der Dichtflansch 54 in die Dichtnut 36 eingreift. An seinem offenen Ende ist der Dichtflansch 54 geschlitzt, so daß sich mit Hilfe der Dicht- und Klebmasse in der Dichtnut 36 eine vollständige Abdichtung ergibt.

Bei dem fertigen Geberelement 10 ist das Hall-Sensorelement 50 direkt unter der stirnseitigen Kappe der Schutzhülse 52 an der Stirnseite 56 des vom Grundkörper 12 vorstehenden Teils angeordnet. Der Sensor 50 befindet sich in der Tasche 42 am Permanent-Magneten 40. Hinter dem Sensor 50 liegt die Ausnehmung 43. Der Hall-Sensor 50 mißt das ihn durchdringende Magnetfeld. Funktionsweise und Aufbau des Hall-Sensors sind bspw. in der DE-U1-295 06 198.7 beschrieben. Die Anordnung des Sensors 50 in einer Tasche 42 des Magneten 40 führt zu einer sehr guten magnetischen Kopplung und so zu einer hohen Empfindlichkeit des Sensors. Durch die Ausnehmung 43 des Magneten 40 entsteht eine günstige räumliche Verteilung des magnetischen Flusses, wie in der US 5,814,985 beschrieben.

Die Signale des Sensors 50 werden durch die Schaltung auf der Platine 30 ausgewertet. Über die Kontaktflächen 48 und Kontaktleitungen 34 ist die Schaltung mit Steckkontakten 38 der Steckereinheit 14 elektrisch verbunden. Die Gebereinheit 10 kann zur Erfassung der Bewegung eines ferromagnetischen Körpers verwendet werden, der sich vor der Stirnseite 56 des Elements 10 vorbeibewegt.

Insbesondere kann das Geberelement 10 als Kurbelwellengeber im Automobilbereich verwendet werden, wobei der Grundkörper 12 außen am Motorblock angebracht wird und der Magnetträger 20 in das Innere des Motorgehäuses reicht. Beim Drehen der Kurbelwelle im Motorraum bewegen sich die Zähne eines Zahnrades, die bspw. aus weichmagnetischem Material bestehen, vor der Stirnseite 36 des Geberelements 10 und bewirken so eine Änderung des durch den Magneten 40 erzeugten Magnetfeldes, je nachdem, ob gerade ein Zahn oder eine Lücke vor dem Geber positioniert ist. Diese Änderung wird durch den Sensor 50 gemessen und als weiterverarbeitetes Signal über die Steckkontakte 38 und einen angeschlossenen Stecker an die Bordelektronik weitergemeldet. Hieraus kann bspw. inkrementell die Position und/oder die Drehzahl ermittelt werden.

In 3 sind in einer perspektivischen Darstellung Teile einer zweiten Ausführungsform eines Geberelements dargestellt. Gezeigt sind hier nur die gegenüber der ersten Ausführungsform abweichende Form der Platine 30a und des Aufnahmebereichs 22a. Sämtliche übrigen Teile des Geberelements entsprechend der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.

In der zweiten Ausführungsform ist die Längsführung am Aufnahmebereich 22a anders ausgestaltet. Hier sind Führungsstifte 60 vorgesehen, die von der Fläche 24 vorstehen. Die Platine 30 weist entsprechende Langschlitze 62 auf. Die Stifte 60 und Schlitze 62 dienen zur Führung der Platine 30a beim Einschieben der Platine unter die Kontaktleitungen 34.


Anspruch[de]
  1. Gebervorrichtung mit

    – einem Hall-Sensorelement (50)

    – und einem Schaltkreisträger (30, 30a) mit einer elektrischen Schaltung, wobei das Sensorelement (50) an dem Schaltkreisträger angebracht und elektrisch mit der Schaltung verbunden ist,

    – und einem Sensorträger (20), mit einem längs angeordneten Aufnahmebereich (22, 22a) zur Aufnahme des Schaltkreisträgers (30, 30a) in einer Lage längs des Sensorträgers (20),

    – wobei der Sensorträger an einem stirnseitigen Ende ein Magnetelement (40) aufweist,

    – und das Sensorelement (50) an dem stirnseitigen Ende (44) des Schaltkreisträgers angebracht ist und von diesem vorsteht, so daß es stirnseitig am Sensorträger (20) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, daß

    – an dem Magnetelement (40) eine erste Aussparung (42) vorgesehen ist,

    – und das Sensorelement (50) in der ersten Aussparung (42) aufgenommen ist,

    – und an dem Magnetelement (40) eine zweite Aussparung (43) vorgesehen ist, die hinter dem Sensorelement (50) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der

    – das Sensorelement (50) rechtwinklig vom Schaltkreisträger (30, 30a) vorsteht.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der

    – das Sensorelement ein Gehäuse und Anschluß-Beinchen aufweist,

    – und die Anschluß-Beinchen auf dem Schaltkreisträger festgelötet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der

    – der Aufnahmebereich (22, 22a) mindestens ein Längsführungselement (28, 60) zur Führung des Schaltkreisträgers (30) bei der Anbringung am Sensorträger (20) aufweist,

    – und der Schaltkreisträger (30, 30a) an einem zweiten Ende (46) Kontaktflächen (48) aufweist,

    – und am Sensorträger (30, 30a) oberhalb des Aufnahmebereiches (22, 22a) endende Kontaktleitungen (34) vorgesehen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der

    – die Kontaktleitungen (34) mindestens einen freien Bogen von mehr als 90° aufweisen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der

    – der Sensorträger (20) einen ersten Typ eines Aufnahmebereichs (22a) aufweist, an dem mindestens ein Stift (60) vorgesehen ist

    – und der Schaltkreisträger (30a) mindestens einen Schlitz (62) in Längsrichtung des Sensorträgers (20) aufweist,

    – und der Stift (60) in den Schlitz (62) eingreift.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, bei der

    – der Sensorträger (20) einen zweiten Typ eines Aufnahmebereichs (22) aufweist, bei dem seitlich von einer Aufnahmefläche (24) Erhöhungen (28) vorgesehen sind,

    – wobei der Schaltkreisträger (30) auf der Aufnahmefläche (24) zwischen den Erhöhungen (28) liegt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der

    – der Sensorträger (20) von einem Grundkörper (12) vorsteht,

    – wobei an dem Grundkörper (12) eine Steckereinheit (14) mit Steckkontakten (38) gebildet ist,

    – und der Grundkörper (12) über eine Befestigungsausnehmung (16) verfügt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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