DE102004035284A1

DE102004035284A1 - Positionssensoranordnung mit mehreren in einer Reihe angeordneten, magnetfeldsensitiven Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren

Info

Publication number: DE102004035284A1
Application number: DE200410035284
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.Rer.Nat. Reininger; Matthias von Dipl.-Ing. Zeppelin (FH); Florian Dipl.-Ing. Welker (FH)
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: DE102004035284B4

Abstract

Es wird eine Positionssensoranordnung mit mehreren in einer Reihe angeordneten, magnetfeldsensitiven Sensoren (20) vorgeschlagen, wobei ein mit einem Permanentmagneten (29) versehenes bewegbares Element (28) parallel zur Längsrichtung der Sensorreihe bewegbar ist und wobei die Sensoren an eine Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) angeschlossen sind zur Erfassung der Position des bewegbaren Elements. Ein Sensorgehäuse (10) besteht aus einem Basisgehäuse (11) und einem daran angeformten leistenartigen Gehäusevorsprung (13), der zur Aufnahme in einer längs eines Linearantrieb-Gehäuses (24) verlaufenden Führungsnut (25) vorgesehen ist. Die Sensoren (20) sind an einer mit elektrischen Kontaktflächen (18) versehenen Gehäusewandfläche im Gehäusevorsprung (13) in dessen Längsrichtung angeordnet, wobei diese Kontaktflächen (18) über in MID-Technik ausgeführte Leiterbahnen (19) mit Kontaktflächen (17) an einer Wandung im Basisgehäuse (11) verbunden sind, die an die dort angeordnete Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) angeschlossen sind. Der Permanentmagnet (29) ist am angetriebenen Element (28) des Linearantriebs angeordnet. Hierdurch kann bei einfacher Verstellbarkeit der Sensorstrecke diese sehr nahe an der Bahn des Permanentmagneten (29) zur Erhöhung des Positionssignals angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionssensoranordnung mit mehreren in einer Reihe angeordneten, magnetfeldsensitiven Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren, wobei ein mit einem Permanentmagneten versehenes bewegbares Element parallel zur Längsrichtung der Sensorreihe bewegbar ist, und wobei die Sensoren an eine Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung angeschlossen sind zur Erfassung der Position des bewegbaren Elements.

Eine derartige, aus der DE 3443176 C1 bekannte Positionssensoranordnung ermöglicht eine sehr exakte Positionsmessung. Dabei wird jedem Sensor der Sensorreihe ein bestimmter Positionswert zugeordnet, der beispielsweise einem bestimmten Ausgangssignal des jeweiligen Sensors mit dem Wert null oder einem anderen charakteristischen Wert entspricht. Weiter werden Spannungen von benachbarten Sensoren zueinander ins Verhältnis gesetzt, und bei Erreichen bestimmter Spannungsverhältnisse werden diese Spannungen bestimmten Positionen zuge ordnet. Es ergibt sich dabei eine nahezu lineare Abhängigkeit der verknüpften Spannungssignale der Sensoren von der Position. Entsprechend der Länge der Sensorreihe kann somit über diese Länge die Position des bewegbaren Elements sehr exakt festgestellt werden.

Will man dieses bekannte Positionsmessprinzip bei Linearantrieben verwenden, so liegen konstruktive Probleme darin, bei verstellbarer Sensorreihe ein starkes Messsignal zu erhalten.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Positionssensoranordnung der eingangs genannten Gattung so für Linearantriebe auszubilden, dass bei leichter Verstellbarkeit des Messbereichs die Sensorreihe möglichst nahe an der Bewegungsbahn des mit einem Permanentmagneten versehenen bewegbaren Elements angeordnet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sensorgehäuse aus einem Basisgehäuse und einem daran angeformten leistenartigen Gehäusevorsprung besteht, der zur Aufnahme in einer längs eines Linearantrieb-Gehäuses verlaufenden Führungsnut vorgesehen ist, dass die Sensoren an einer mit elektrischen Kontaktflächen versehenen Gehäusewandfläche in dem Gehäusevorsprung in dessen Längsrichtung angeordnet sind, dass diese Kontaktflächen über in MID-Technik ausgeführten Leiterbahnen durch das Gehäuse mit Kontaktflächen an einer Wandung im Basisgehäuse verbunden sind, die an die dort angeordnete Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung angeschlossen sind, und dass der Permanentmagnet am angetriebenen Element des Linearantriebs angeordnet ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionssensoranordnung bestehen insbesondere darin, dass der leistenartige Gehäusevorsprung zum einen als Führungselement zum problemlosen Verschieben des Sensorgehäuses in einer Führungsnut des Linearantrieb-Gehäuses dient und zum anderen die Sensorreihe aufnimmt, die dadurch in der Nut angeordnet ist, also in Bezug auf die Gehäuse-Außenfläche mehr am angetriebenen Element. Dies bewirkt eine Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und Sensorik. Die Ausführung der Positionssensoranordnung in MID-Technik erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigung sowie ein kompaktes, kleinvolumiges Gehäuse.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionssensoranordnung möglich.

Eine besonders rationelle und kostengünstige Fertigung wird dadurch erreicht, dass die Sensoren und/oder wenigstens ein Bauteil der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung in Form von SMD-Bauteilen oder Chip-on- Board-Bauteilen an den jeweiligen Kontaktflächen angebracht sind, insbesondere durch Verlöten oder mittels Leitkleber.

Das Sensorgehäuse wird vorzugsweise in einer Weise hergestellt, bei der ein Kernbereich des Sensorgehäuses mit den Leiterbahnen und Kontaktflächen versehen ist, wobei dieser Kernbereich dann in einem insbesondere als Spritzgussteil ausgebildeten Außenbereich des Sensorgehäuses eingebettet ist. Hierdurch können die Leiterbahnen und Kontaktflächen in MID-Technik besonders einfach hergestellt werden, wobei durch Umspritzung dann neben der gewünschten Gehäuseform die Abdeckung der elektrischen Bereiche erreicht wird.

Eine zum Einsetzen der Sensoren dienende Ausnehmung im Gehäusevorsprung und/oder eine zum Einsetzen der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung dienende Ausnehmung im Basisgehäuse ist zweckmäßigerweise mit einer Vergussmasse ausgefüllt.

Die Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung ist zweckmäßigerweise als ASIC ausgebildet. Dies vereinfacht und erleichtert den Zusammenbau.

Alternativ zur Ausführung als ASIC kann die Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung auch auf einer Leiter platte angeordnet sein, die mit den Kontaktflächen im Basisgehäuse verbunden ist.

Zur Verbindung mit einem externen Anschlusskabel ist vorzugsweise eine Anschlusskontaktanordnung im oder am Basisgehäuse angeordnet und mit der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung verbunden. Diese Verbindung erfolgt wieder in vorteilhafter Weise über in MID-Technik ausgeführte Leiterbahnen.

Zum Halten des Sensorgehäuses an der Führungsnut besitzt der Gehäusevorsprung zweckmäßigerweise seitliche rippenartige Elemente zum Hintergreifen eines gegenüber dem übrigen Bereich der Führungsnut schmäleren Nuthalses. Zusätzlich können Fixierelemente, wie Schrauben, Klemmfedern oder dergleichen, vorgesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Positionssensoranordnung in einer Querschnittsdarstellung als Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 eine perspektivische Darstellung der in 1 dargestellten Positionssensoranordnung mit noch nicht vergossenen Hall-Sensoren im Gehäusevorsprung des Sensorgehäuses.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht ein langgestrecktes Sensorgehäuse 10 aus einem in 1 oberen Basisgehäuse 11 und einem unten angeformten leistenartigen Gehäusevorsprung 13. Ein Gehäusekernbereich 14 erstreckt sich mittig im Sensorgehäuse 10 und greift sowohl ins Basisgehäuse 11 als auch in den Gehäusevorsprung 13 ein. Eine nutartige Ausnehmung 15 im Basisgehäuse 11 erstreckt sich bis zum Gehäusekernbereich 14, und eine ebenfalls nutartige Ausnehmung 16 im Gehäusevorsprung 13 erstreckt sich dort ebenfalls bis zum Gehäusekernbereich 14.
Das Sensorgehäuse 10 wird folgendermaßen hergestellt. Zunächst wird der Gehäusekernbereich 14 aus einem MID-Kunststoff (MID = Moulded Interconnect Device) hergestellt. Dann werden Kontaktflächen 17, 18 an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen sowie diese elektrisch verbindende Leiterbahnen 19 an Seitenflächen des Gehäusekernbereichs 14 in der MID-Technologie angebracht. Diese Technologie erlaubt die Realisierung komplexer dreidimensionaler Leiterstrukturen. In der EP 0782765 B1 und in der EP 1383360 A1 ist die Technologie und sind mögliche Aufbauten und Strukturen solcher Leiterbahnen und Kontaktflächen beschrieben. Eine mögliche Realisierung von Leiterbahnen in der MID-Technologie besteht darin, dass auf dem MID-Kunststoff, der zunächst nicht metallisierbar ist, mittels Laser Strukturen aufgebracht sind. Die laserbehandelten Oberflächenbereiche werden dadurch metallisierbar und können in einem anschließenden Galvanisierungsprozess mit Leiterbahnen versehen werden. Diese sogenannte Laser-Direkt-Strukturierung ist beispielsweise in der Zeitschrift "Plastverarbeiter", 52. Jahrgang (2001), Nr. 11, Seite 92, beschrieben. Als Kunststoffmaterial wird dabei sogenanntes PBTMID oder PA6/6TMID verwendet.
Nach dieser Strukturierung in der MID-Technologie wird der Gehäusekernbereich 14 mit Kunststoffmaterial in der Weise umspritzt, dass sich das in 1 dargestellte Sensorgehäuse 10 bildet. Nun wird in der Ausnehmung 16 des Gehäusevorsprungs 13 eine Reihe von Hall-Sensoren 20 auf die Kontaktflächen 18 aufgebracht. Diese können als SMD-Bauteile oder Chip-on-Board-Bauteile durch Verlöten oder mittels Leitkleber aufgebracht werden. Anstelle von Hall-Sensoren können prinzipiell auch andere magnetfeldempfindliche Sensoren verwendet werden.
In die Ausnehmung 15 des Basisgehäuses 11 wird nun eine als ASIC ausgeführte Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung 21 elektrisch mit den Kontaktflächen 17 in entsprechender Weise verbunden. Diese Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung kann prinzipiell auch anstelle als ASIC in anderer Weise realisiert sein, beispielsweise durch Bauteile auf einer Leiterplatte, die entsprechend in die Ausnehmung 15 eingesetzt und elektrisch mit den Kontaktflächen 17 verbunden wird.
Weiterhin wird in die Ausnehmung 15 noch eine Anschlusskontaktanordnung 22 zum Anschluss eines externen Anschlusskabels eingesetzt und mit entsprechenden Kontaktflächen des Gehäusekernbereichs 14 verbunden. Diese in 1 nicht sichtbaren Kontaktflächen sind mittels ebenfalls nicht sichtbarer Leiterbahnen mit den Kontaktflächen 17 und über diese mit der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung 21 verbunden. Die Anschlusskontaktanordnung 22 kann beispielsweise als Steckbuchse für ein externes Anschlusskabel ausgebildet sein.
Anschließend werden nun die Ausnehmungen 15, 16 mit einer Vergussmasse 23 ausgegossen.
Im betriebsbereiten und in der beschriebenen Weise konfigurierten Zustand ist das Sensorgehäuse 10 so an der Außenseite eines Linearantrieb-Gehäuses 24 angebracht, dass der leistenartige Gehäusevorsprung 13 mit den darin befindlichen Hall-Sensoren 20 in eine sich in Längsrichtung des Linearantrieb-Gehäuses 24 erstreckende Führungsnut 25 eingreift. Die Querschnittsgestalt des Gehäusevorsprungs 13 ist dabei an die der Führungsnut 25 angepasst. Seitliche Vorsprünge 26 am Gehäuse vorsprung 13 hintergreifen dabei einen gegenüber dem übrigen Bereich der Führungsnut 25 schmäleren Nuthals 27, sodass das Sensorgehäuse 10 in der Führungsnut 25 gehalten wird. Ansonsten noch erforderliche Fixierelemente, wie Schrauben, Klemmfedern oder dergleichen, sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Durch die Ausgestaltung des Sensorgehäuses 10 sind die Hall-Sensoren 20 möglichst nahe am Boden bzw. gemäß 1 untersten Bereich des Gehäusevorsprungs 13 angeordnet.
Das beschriebene Sensorgehäuse 10 bzw. die in seinem Innern enthaltene elektronische Anordnung dient zur Positionserfassung eines bewegbaren Elements 28 des Linearantriebs. Hierzu besitzt dieses bewegbare Element 28 einen Permanentmagneten 29, dessen Magnetfeld durch die Hall-Sensoren 20 erfasst wird. Bei dem bewegbaren Element 28 kann es sich beispielsweise um den Kolben eines Antriebszylinders oder ein sonstiges bewegbares mechanisches oder elektrisches Bauteil eines Linearantriebs handeln.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Positionssensoranordnung ist in der eingangs angegebenen DE 3443176 C1 detailliert beschrieben, sodass hier nur noch kurz darauf eingegangen werden muss. Jedem Hall-Sensor 20 wird bei diesem Messverfahren ein Längenwert zugeordnet, der einem Ausgangssignal des jeweiligen Sensors mit dem Wert null oder einem anderen charakteristischen Wert entspricht. Weiter werden Spannungen von benachbarten Sensoren zueinander ins Verhältnis gesetzt, und bei Bereichen bestimmter Spannungsverhältnisse werden diese Längeneinheiten zugeordnet. Bei der Bestimmung einer unbekannten Position des Permanentmagneten 29 werden die entsprechenden Spannungen der einzelnen, von diesen Permanentmagneten 29 beeinflussten Hall-Sensoren 20 gemessen und das Verhältnis benachbarter Sensorsignale gebildet, wobei die Sensoren ausgewählt werden, deren Spannungswerte jeweils durch einen Vorzeichenwechsel gekennzeichnet sind. Mittels geeigneter Interpolationsverfahren ergibt sich dadurch eine nahezu lineare Positionserfassung des Permanentmagneten 29 über die Länge der Sensorreihe. Das Verfahren kann dabei so modifiziert werden, dass jeweils nur die Signale derjenigen Sensoren berücksichtigt werden, die unmittelbar neben demjenigen Sensor liegen, der am stärksten auf das Magnetfeld reagiert. Die übrigen Sensoren können dabei abgeschaltet werden.
Die Gestalt des Gehäusekernbereichs 14 ist selbstverständlich nicht auf die des Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern kann sehr unterschiedlich gestaltet sein. Wesentlich ist lediglich, dass die sich gegenüberliegenden Kontaktflächen 17, 18 und die sie verbindenden Leiterbahnen 19 in MID-Technologie aufgebracht werden können. Durch das nachfolgende Umspritzen kann dann die gewünschte endgültige Gestalt des Sensorgehäuses 10 erzielt werden. Anstelle eines Umspritzens kann der äußere Bereich des Sensorgehäuses 10 auch als zwei tes separates Gehäuseteil ausgebildet sein, wobei der Gehäusekernbereich 14 dann in diesen zweiten Teil eingesteckt, eingerastet oder eingeklebt werden kann.

Claims

Positionssensoranordnung mit mehreren in einer Reihe angeordneten, magnetfeldsensitiven Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren, wobei ein mit einem Permanentmagneten versehenes bewegbares Element parallel zur Längsrichtung der Sensorreihe bewegbar ist, und wobei die Sensoren an eine Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung angeschlossen sind zur Erfassung der Position des bewegbaren Elements, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorgehäuse (10) aus einem Basisgehäuse (11) und einem daran angeformten leistenartigen Gehäusevorsprung (13) besteht, der zur Aufnahme in einer längs eines Linearantrieb-Gehäuses (24) verlaufenden Führungsnut (25) vorgesehen ist, dass die Sensoren (20) an einer mit elektrischen Kontaktflächen (18) versehenen Gehäusewandfläche in dem Gehäusevorsprung (13) in dessen Längsrichtung angeordnet sind, dass diese Kontaktflächen (18) über in MID-Technik ausgeführten Leiterbahnen (19) durch das Gehäuse mit Kontaktflächen (17) an einer Wandung im Basisgehäuse (11) verbunden sind, die an die dort angeordnete Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) angeschlossen sind, und dass der Permanentmagnet (29) am angetriebenen Element (28) des Linearantriebs angeordnet ist.
Positionssensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (20) und/oder wenigstens ein Bauteil der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) in Form von SMD-Bauteilen oder Chip-on-Board-Bauteilen an den jeweiligen Kontaktflächen (17, 18) angebracht sind, insbesondere durch Verlöten oder mittels Leitkleber.
Positionssensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernbereich (14) des Sensorgehäuses (10) mit den Leiterbahnen (19) und Kontaktflächen (17, 18) versehen ist, und in einem insbesondere als Spritzgussteil ausgebildeten Außenbereich des Sensorgehäuses (10) eingebettet ist.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Einsetzen der Sensoren (20) dienende Ausnehmung (16) im Gehäusevorsprung (13) und/oder eine zum Einsetzen der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) dienende Ausnehmung (15) im Basisgehäuse (11) mit einer Vergussmasse (23) ausgefüllt ist.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Singalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) als ASIC ausgebildet ist.
Positionssensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die mit den Kontaktflächen (17) im Basisgehäuse (11) verbunden ist.
Positionssensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung auf den Kontaktflächen (17) im Basisgehäuse (11) angeordnet sind.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlusskontaktanordnung (22) für ein externes Kabel im oder am Basisgehäuse (11) angeordnet und mit der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) verbunden ist
Positionssensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskontaktanordnung (22) über in MID-Technik ausgeführte Leiterbahnen mit der Signalaufbereitungs- und/oder -auswerteeinrichtung (21) verbunden ist.
Positionssensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusevorsprung (13) seitliche rippenartige Elemente (26) zum Hintergreifen eines gegenüber dem übrigen Bereich der Führungsnut (25) schmäleren Nuthalses (27) besitzt.