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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehmoment-
und Winkelsensors mit einem ersten Kunststoff-Gehäuseteil,
in dem eine Leiterplatine mit einem auf ihr angebrachten optischen
Detektor untergebracht ist, und mit einem zweiten Kunststoff-Gehäuseteil,
das eine optische Linse aufnimmt.
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Derzeit
werden optische Lenkwinkelsensoren lediglich im Fahrzeuginnenraum
eines Kraftfahrzeugs im Bereich dessen Lenkrades oder dessen Lenkstange
angebracht. Ein derartiger Lenkwinkelsensor dient zur Messung eines
Drehwinkels und gleichzeitig eines Drehmomentes des Lenkrades oder
der Lenkstange. Das Messprinzip eines derartigen Drehmoment- und
Winkelsensors ist beispielsweise aus der
DE 197 05 312 A1 sowie
der WO 00/28285 bekannt. Für
einen Lenkwinkelsensor, der am Lenkgetriebe vorgesehen ist, kann
z.B. ein Aluminium-Druckgussgehäuse als
Träger
aller Komponenten dienen. In einem ersten Fertigungsschritt wird
dabei eine zentrale Linse, insbesondere eine Kunststoff-Linse, mittels
eines mit UV-Licht
härtenden
oder kationisch härtenden
Klebstoffes in das Aluminium-Druckgussgehäuse eingeklebt. Eine Hauptleiterplatte
trägt alle
elektrischen Bauelemente, einen optischen Detektor und über einen
Kunststoffadapter, welcher mittels kalter Kontaktiertechnik (im
Folgenden mit Einpresstechnik oder EPT bezeichnet) montiert ist,
auch eine LED-Leiterplatte mit darauf befindlichen LEDs und darüber befindliche
Fokussiereinrichtungen (im Folgenden mit Kondensorbar bezeichnet)
sowie ein Kunststoffblende. Diese massive funktionelle Einheit wird
in das Aluminium-Druckgussgehäuse
montiert. Um alle Fertigungstoleranzen bezüglich der Lage zur optischen
Achse des Gesamt systems dieses bekannten Lenkwinkelsensors ausgleichen
zu können,
wird die Hauptleiterplatte mit dem optischen Detektor bei ihrer
Befestigung im Gehäuse aktiv
zur optischen Linse ausgerichtet. Dies erfolgt so, dass die Hauptleiterplatte über ein
spezielles Werkzeug fixiert wird, elektrisch kontaktiert und in
einem Klebstoffreservat im Aluminium-Druckgussgehäuse so lange verschoben wird,
bis die optische Achse des Gesamtsystems ausgerichtet ist. Dann wird
der verwendete Klebstoff in kürzester
Zeit zumindest angehärtet,
um die Lage der Hauptleiterplatte zur optischen Linse beim Entfernen
des Werkzeuges mit hoher Fertigungssicherheit beibehalten zu können. Aufgrund
der hohen Wärmekapazität des Aluminium-Druckgussgehäuses ist
dabei allerdings die Verwendung von thermisch härtenden Klebstoffen wegen des
dafür erforderlichen
hohen Energiebedarfs und der relativ langen Härtezeit kritisch. UV-Licht
härtende
Klebstoffe haben wiederum den Nachteil, dass verdeckte Bereiche
bzw. Schattenbereiche nicht ausreichend oder gar nicht aushärten. Weiterhin
ist gefordert, dass der verwendete Klebstoff auch ein gewisses Kompensationsvermögen für thermomechanischen
Stress aufweist, da Aluminium und das Leiterplattenmaterial unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Nachteilig bei zu
weichen Klebstoffen oder Klebstoffen, deren „Weichheit" mit sich ändernder Temperatur variiert,
ist auch die Gefahr der „Drift" oder der Verschiebung
der örtlichen
Lage des optischen Detektors zur optischen Linse bezüglich ihrer
gemeinsamen optischen Achse. Dies ist insbesondere bei stark wechselnden
Temperaturbereichen kritisch, wie sie auch im Fahrgastraum eines
Kraftfahrzeugs auftreten können.
Auf diese Weise lassen sich mit diesem bisher durchgeführten Fertigungskonzept
nur unzureichend oder nur unter hohem Aufwand fertigungssichere
und dauerhaft funktionierende Verbindungen zwischen dem Aluminium-Druckgussgehäuse, der
zentralen optischen Linse sowie der Hauptleiterplatte mit dem optischen
Detektor herstellen.
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Das
bisherige Fertigungskonzept verwendet ohne Betrachtung der sogenannten
SMT-Montage aller Bauelemente auf der Hauptleiterplatte sowie der LED-Leiterplatte
insgesamt fünf
Klebeprozesse:
- (1) Verklebung der Kunststofflinse
auf Aluminium-Halterung,
- (2) Verklebung der jeweiligen Kondensorbar auf der jeweiligen
LED-Leiterplatte,
- (3) Verklebung des Kunststoffadapters zur Hauptleiterplatte
(Sicherungsklebeverbindung),
- (4) Verklebung der Hauptleiterplatte auf Aluminium-Halterung,
- (5) Verklebung des Gehäusedeckels
auf dem Aluminium-Druckgussgehäuse.
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Zusätzlich werden
drei kalte Kontaktiertechnikprozesse, insbesondere Einpresstechnikprozesse (EPT),
durchgeführt:
- (1) EPT der jeweiligen LED-Leiterplatte in
einen zugehörigen
Adapter,
- (2) EPT des Adapters auf der Hauptleiterplatte (bei gleichzeitiger
oder nachträglicher
Sicherungsklebung),
- (3) EPT von Stecker-Pins auf die Hauptleiterplatte.
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Dieses
Fertigungskonzept ist relativ teuer und zudem technisch nur mit
erhöhtem
Aufwand realisierbar, da insbesondere:
- • Die Klebeverbindungen
zum Aluminium nicht mit einem thermisch härtenden Klebstoff aufgrund der
hohen Wärmekapazität des Aluminiums
ausgeführt
werden können.
- • Die
aktive Ausrichtung der Hauptleiterplatte zur optischen Linse fertigungstechnisch
bedingt durch die Kontaktierung mit Tastnadeln und der Notwendigkeit
eines extrem schnellen Klebstoffhärtens fertigungstechnisch sehr
schwierig ist, um die Lage der Leiterplatte im Aluminium-Gehäuse nach
ihrer Ausrichtung bezüglich
der optischen Linse zu fixieren.
- • Die
Hauptleiterplatte der alleinige Träger des jeweiligen Adapters
inklusive der LED-Leiterplatte und der op tischen Blende ist, und
dieser Aufbau aufgrund seiner Masse und der freien Lage im Gehäuse vibrations-
und stoßempfindlich
sein kann.
- • Die
Abzugskräfte
des Gehäusesteckers
des bekannten Drehmoment- und Winkelsensors direkt auf dessen Hauptleiterplatte
wirken können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie
in einfacher Weise fertigungssicherer ein optischer Drehmoment-
und Winkelsensor hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird bei
einem Drehmoment- und Winkelsensor der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass das zweite Kunststoff-Gehäuseteil
mit dem ersten Kunststoff-Gehäuseteil
entlang einem gemeinsamen Kontaktbereich mittels mindestens einer
Laserschweißvorrichtung
laserdurchstrahlverschweißt
wird, und dass vor und/oder während
dieses Laserdurchstrahlschweißprozesses
die optische Linse des zweiten Kunststoff-Gehäuseteils
und der optische Detektor des ersten Kunststoff-Gehäuseteils
bezüglich
ihrer optischen Achse lateral zueinander mit Hilfe einer Positioniervorrichtung
weitgehend fluchtend aufeinander ausgerichtet werden, indem ein
Referenzobjekt durch die optische Linse auf den optischen Detektor
abgebildet wird, und aus dieser Abbildung mindestens ein Steuersignal
für eine
Steuervorrichtung zum Steuern oder Regeln des Laserdurchstrahlschweißprozesses
und gleichzeitig der Positionierung abgeleitet wird.
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Dadurch,
dass sowohl für
das zweite Gehäuseteil,
das die optische Linse aufnimmt, als auch für das erste Gehäuseteil,
in dem die Leiterplatine mit dem auf ihr angebrachten optischen
Detektor untergebracht ist, Kunststoff, d.h. derselbe Werkstoff
mit denselben Materialeigenschaften verwendet ist, lassen sich beide
Kunststoffgehäuseteile
durch einen Laserdurchstrahlschweißprozess verbindungssicher sowie
dauerhaft dicht zusammenfügen.
Dabei wird vor und/oder während
des Laserdurchstrahlschweißprozesses
zugleich eine optische Ausrich tung der optischen Linse und des optischen
Detektors bezüglich
ihrer optischen Achsen lateral zueinander durchgeführt. Da
sowohl für
das zweite Gehäuseteil
als auch für
das erste Gehäuseteil
in vorteilhafter Weise dasselbe Kunststoffmaterial verwendet wird,
ist eine unerwünschte
Drift oder Verschiebung des optischen Detektors und der optischen
Linse relativ zueinander hinsichtlich ihrer örtlichen Lage weitgehend vermieden.
Ihre Ausrichtung aufeinander bleibt nach dem Laserdurchstrahlschweißprozess
dauerhaft verbessert erhalten. Auf diese Wiese ist der fertige Drehmoment-
und Winkelsensor auch unter hohen mechanischen Beanspruchungen,
hohen Umweltanforderungen, insbesondere großen Temperaturwechseln, dauerhaft
funktionstüchtig.
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Somit
kann der erfindungsgemäße Drehmoment-
und Winkelsensor in vorteilhafter Weise direkt im Bereich des Lenkgetriebes
im Motorraum eines Kraftfahrzeugs untergebracht und dort der Lenkwinkel-
und gleichzeitig das Lenkmoment direkt am Lenkgetriebe hochgenau
optisch erfasst werden. Es ist also eine Verlagerung des Lenkwinkelsensors vom
Fahrzeuginnenraum direkt an das Lenkgetriebe im Motorraum möglich, da
jetzt der Lenkwinkelsensor die Anforderungen bezüglich der dort rauen Umweltbedingungen
zuverlässig
erfüllt.
Dadurch kann dem Platzmangel unter dem „Armaturenbrett" im Kraftfahrzeug
aufgrund der zunehmenden Funktionalisierung des Lenkrades abgeholfen
werden.
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Da
jetzt beim erfindungsgemäßen Verfahren die
Ausrichtung der optischen Achse des Drehmoment- und Winkelsensors
nicht durch Klebeverbindungen wie bei herkömmlichen Lenkwinkelsensoren, sondern
durch einen Laserdurchstrahlschweißprozess erfolgt, bei dem in
Kombination die optische Linse zum optischen Detektor positioniert
und gleichzeitig diese optischen Komponenten in ihren Kunststoffgehäuseteilen
bezüglich
ihrer ausgerichteten örtlichen
Lage miteinander befestigt, d.h. dauerhaft zu einem Gesamtgehäuse verbunden
werden, lässt
sich in einfacher und zuverlässiger
Weise ein optisches Sensorgerät zur
Messung eines Drehwinkels und gleichzeitig eines Drehmoments bereitstellen.
Mittels des Laserdurchstrahlschweißprozesses lässt sich das
zweite Kunststoff-Gehäuseteil
für die
optischen Linse sowie das erste Kunststoff-Gehäuseteil für die Leiterplatine mit dem
optischen Detektor passgenau und damit sicher, sowie schnell zu
einem dichten Gesamtgehäuse
zusammenschweißen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Drehmoment- und Winkelsensor
mit einem ersten Kunststoff-Gehäuseteil,
in das eine Leiterplatine mit einem auf ihr angebrachten optischen
Detektor untergebracht ist, und mit einem zweiten Kunststoff-Gehäuseteil,
das eine optische Linse aufnimmt, welcher dadurch gekennzeichnet
ist, dass das zweite Kunststoff-Gehäuseteil
mit dem ersten Kunststoff-Gehäuseteil
entlang einem gemeinsamen Kontaktbereich nach einem der vorhergehenden
Ansprüche
laserdurchstrahlverschweißt
ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung auch einen erfindungsgemäßen Drehmoment- und Winkelsensor,
der direkt im Bereich des Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeugs eingebaut
ist.
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Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Schnittdarstellung eine Herstellungsvorrichtung zur
Fertigung eines Drehmoment- und Drehwinkelsensors nach einer ersten
Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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2 in
schematischer Schnittdarstellung ein Detail des gemeinsamen Kontaktbereichs
zwischen dem zweiten Kunststoff-Gehäuseteil für die optische Linse und dem
ersten Kunststoff-Gehäuseteil
für die
Leiterplatine mit dem optischen Detektor des Drehmoment- und Drehwinkelsensors
von 1 beim Laserdurchstrahlschweißprozess nach einer Variante
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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3 schematisch
in seitlicher Durchsichtsdarstellung als Einzelheit das erste Kunststoff-Gehäuseteil
des Drehmoment- und Winkelsensors von 1 vor der
EPT-Montage seiner Leiterplatine mit dem optischen Detektor,
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4 schematisch
in Durchsichtsdarstellung das erste Kunststoff-Gehäuseteil
des Drehmoment- und Winkelsensors von 1 von dessen
Unterseite her betrachtet,
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5 zeigt
schematisch in Draufsicht sowie in Durchsichtsdarstellung das zweite
Kunststoff-Gehäuseteil 2 über dem
ersten Kunststoff-Gehäuseteil 1 des
zu fertigenden Drehmoment- und Winkelsensors 40 von 1,
und
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6 schematisch
in seitlicher Durchsichtsdarstellung den fertigen Drehmoment- und
Winkelsensor nach Durchführung
des Ausricht- und
Verschweißprozesses
seiner beiden Kunststoff-Gehäuseteile
gemäß dem Herstellungsverfahren
von 1.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 6 jeweils
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Herstellungsvorrichtung zur Fertigung
eines Drehmoment- und Drehwinkelsensors 40. Ein derartiges
optisches Sensorgerät
zur Messung eines Drehwinkels und gleichzeitig eines Drehmoments wird
insbesondere im Automobilbereich vorzugsweise im Motorraum von Kraftfahrzeugen
verwendet.
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Der
Drehmoment- und Drehwinkelsensor 40 weist ein erstes Kunststoff-Gehäuseteil 1 und
ein zweites Kunststoff-Gehäuseteil 2 auf. 3 zeigt schematisch
in seitlicher Durchsichtsdarstellung als Einzelheit das erste Kunststoff-Gehäuseteil 1 vor
seiner Bestückung.
In sein Inneres sind metallische Einlegeteile eingelegt, die in
Presskontakten 12, 13, 15, 16 und
Steckerkontakt-Stiften 14 enden. 4 zeigt das
erste Kunststoff-Gehäuseteil 1 zusätzlich schematisch
in Durchsichtsdarstellung von dessen Unterseite her betrachtet.
Seine metallischen Einlegeteile enden dort an Auflageflächen 61, 62 für eine einzubringende
Hauptleiterplatine 4 und an schrägen Montageflächen 91, 92 für anzubringende
LED-Leiterplatinen in Form von Presskontakten.
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Zunächst wird
in einem ersten Schritt durch die Öffnung am Boden des ersten
Kunststoff-Gehäuseteils 1 in
dessen Aufnahmekammer bzw. untere Aufnahmekavität 6 die Leiterplatine
bzw. Leiterplatte 4 eingebracht. Das erste Kunststoff-Gehäuseteil 1 weist
hier im Ausführungsbeispiel
in erster Annäherung
eine zylinderförmige,
insbesondere kreiszylinderförmige,
Geometrieform auf. Dabei ist das erste Kunststoff-Gehäuseteil 1 in
der 1 im Schnitt (in einer Seitenansicht in Durchsicht)
dargestellt. Die Leiterplatine 4 wird auf die seitlich
angeordneten Einpresspins bzw. elektrischen Steckerstifte 15, 16 eingepresst
und somit lagefixiert. Auf der Leiterplatine 4 ist zentral,
insbesondere achssymmetrisch zu ihrer Mittenachse 17 ein
optisches Detektorelement 5 wie z.B. ein CCD- Element fest angebracht.
Oberhalb diesem optischen Detektorelement 5 ist in der
profilierten Oberseite des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 ein zylinderförmiger Durchlass
bzw. eine Blendenöffnung 39 vorgesehen,
durch den von außen
Licht auf die Oberfläche
des optischen Detektorelements 5 fallen kann. Die optische
Zentralachse 17 des Detektorelements 5 fluchtet
dabei mit der Zentralachse des vorzugsweise kreiszylinderförmigen Durchlasses 39.
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Achssymmetrisch
bezüglich
der optischen Zentralachse 17 weist die profilierte Oberseite
die zwei abgewinkelten Auflagebereiche bzw. Montageflächen 91, 92 auf.
Aus diesen Montageflächen 91, 92 stehen
nach außen
ein oder mehrere Einpresspins bzw. Steckerstifte 12, 13 ab.
Auf diese ein oder mehreren Einpresspins 12, 13 pro
Montagefläche 91, 92 werden
LED-Leiterplatten 101, 102 mit
ein oder mehreren LED-Elementen 103, 104 eingepresst.
Dadurch wird für
die jeweilige LED-Leiterplatte 101, 102 eine
elektrische Verbindung mit den Zuführleitungen 141 der
Einpresspins 12, 13 sowie eine mechanische Fixierung
auf der jeweils zugeordneten Montagefläche 91, 92 bewirkt.
Beide Montageflächen 91, 92 sind in
Richtung auf die optische Zentralachse 17 des optischen
Detektorelements 5 zugeneigt, d.h. schräggestellt. Auf der jeweiligen
LED-Leiterplatte 101, 102 sind
ein oder mehrere LED-Elemente 103, 104 vorgesehen.
Diese werden jeweils von einem außen aufgebrachten Fokussierbauelement 105, 106 abgedeckt.
Als Fokussierbauelement wird vorzugsweise eine sogenannte Kondensorbar
verwendet. Dabei ist im oder auf dem jeweiligen Fokussierbauelement 105, 106 ggf.
eine Kunststoffblende zum Lichtaustritt vorgesehen. Auf diese Weise
ist durch die LED-Leiterplatte 101, deren LED-Elemente 103,
sowie der darüber
angebrachten Außenabdeckung 105 ein
erster optischer Strahler, d.h. lichtemittierendes Bauteil, 10 gebildet.
In entsprechender Weise ist durch die LED-Leiterplatte 102,
deren LED-Elemente 104 sowie der über diesen angeordneten Abdeckung 106 ein
zweiter optischer Strahler, d.h. lichtemittierendes Bauteil, 11 gebildet.
Das jeweilige Fokussierbauelement 105 bzw. 106 wird dabei
jeweils auf seine zugehörige
LED-Leiterplatte 101 bzw. 102 vorzugsweise aufgeklebt.
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Nach
dem Einbau der Hauptleiterplatine 4 mit dem optischen Detektor 5 in
die untere Montagekavität 6 des
ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 wird die Öffnung der
Montagekavität 6 am
Boden des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 mithilfe
eines Kunststoffdeckels 3 verschlossen. Dazu wird der Kunststoffdeckel 3 im
Bereich seiner beiden äußeren Seitenränder mit
dem umlaufenden Rand des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 vorzugsweise
laserverschweißt,
und damit für
die gemeinsamen Kontaktbereiche bzw. Auflagebereiche zwischen dem
Kunststoffdeckel 3 und dem ersten Kunststoff-Gehäuseteil 1 eine
stoffschlüssige
Verbindung hergestellt. Die laserverschweißten Kontaktbereiche zwischen
dem Kunststoffdeckel 3 und der unteren Stirnseite der Außenwand
des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 sind in
der 1 mit 313, 314 bezeichnet. Der
zur ihrer Laserverschweißung
verwendete Laserschweißprozess
ist jeweils durch zickzackförmige
Pfeile 293, 294 angedeutet.
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Seitlich
am ersten Kunststoff-Gehäuseteil 1 ist
eine Steckerbuchse 20 angebracht oder angespritzt. In dieser
sind ein oder mehrere Steckerstifte 14 vorgesehen, die über die
elektrische Verbindungsleitungen 141 mit den Einpress-Pins
bzw. Steckerpins 15, 16 für die Hauptleiterplatte 4 sowie
mit den Einpress-Pins 12, 13 für die LED-Leiterplatten 101, 102 verbunden
sind.
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Das
derart vormontierte Kunststoff-Gehäuseteil 1 mit seinen
eingebauten Komponenten wird auf einer Verschiebevorrichtung 50 gelagert,
die sich mit Hilfe einer Stellvorrichtung 25 entlang der
drei Richtungsachsen 181, 182, 183 eines
kartesischen Koordinatensystems x,y,z verschieben lässt. Dabei verläuft die
z-Achse 183 dieses kartesischen Koordinatensystems parallel
zur gewünschten
optischen Achse 17 für
den optischen Detektor 5. Die Verschiebevorrichtung bzw.
Positioniervor richtung 50 ist in der 1 durch
einen planflächigen
Positioniertisch gebildet, der in die drei Richtungen 181, 182, 183 des kartesischen
Koordinatensystems x,y,z verfahrbar ist.
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Vor
die optische Öffnung
bzw. Blende 39 im Oberteil des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 wird nun
eine zweites Kunststoff-Gehäuseteil
in Form eines Kunststoff-Gehäusestutzen 2 mit
einer integrierten optischen Linse 7 derart anmontiert,
dass der optische Detektor 5 und die optische Linse 7 entlang
ihrer optischen Achsen 17 möglichst fluchtend aufeinander
ausgerichtet sind. Zur Montage wird dabei der Gehäusestutzen 2 in
einer feststehenden Haltevorrichtung 30 lagefixiert. Am
Gehäusestutzen
ist vorzugsweise eine Nut für
einen Dichtring vorgesehen. Der Gehäusestutzen dient zur Aufnahme
in einem Lenkgetriebe. Die optische Linse 7 des Gehäusestutzens 2 wird
zweckmäßigerweise
vorab in eine optische Öffnung
bzw. Blende 8 eingeklebt, die im wesentlichen zentrisch
in der Oberseite des zylinderförmigen,
insbesondere kreiszylinderförmigen,
Kunststoff-Gehäusestutzens 2 sitzt.
In der Seitenansicht von 1 weist der Kunststoff-Gehäusestutzen 2 in erster
Näherung
eine U-profilartige Querschnittsform auf. Dabei sind an den stirnseitigen
Enden seiner Schenkel Stegelemente vorgesehen, die im wesentlichen
im rechten Winkel bezüglich
der Längserstreckung
der Schenkel, d.h. in radialer Richtung nach außen abstehen. Diese Querstege
dienen zur Auflage bzw. Kontaktierung auf dem oberen Seitenrand des
ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1.
Die Querstege an den geradlinig in z-Richtung verlaufenden Seitenwänden des
räumlich
betrachtet im wesentlichen kreiszylinderförmigen Gehäusestutzens 2 wirken
dabei als eine Art rundum laufender Montageflansch. 5 zeigt
schematisch in Draufsicht sowie in Durchsichtsdarstellung das zweite
Kunststoff-Gehäuseteil 2 über dem
ersten Kunststoff-Gehäuseteil 1 des
zu fertigenden Drehmoment- und Winkelsensors 40 von 1.
Es weist in seiner Deckeloberseite zwei Lichtöffnungen 71, 72 für die optischen
Strahlerelemente 10, 11 auf den Montageflächen 91, 92 des ersten
Kunststoff-Gehäuseteils 1 auf,
dessen Oberseite vom zweiten Kunststoff- Gehäuseteil 2 deckelartig
abgedeckt wird. Vorzugsweise sind die Lichtöffnungen 71, 72 hinsichtlich
ihrer Geometrieform an die der Kondensorbars 103, 104 angepasst.
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Ggf.
kann die optische Linse 7 vorab auch in eine Halterung
eingeklebt werden, die in der optische Öffnung 8 des Deckelteils
des Kunststoff-Gehäusestutzens 2 fixiert
wird.
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Um
nun die zentrale optische Achse der optischen Linse 7 möglichst
mit der zentralen optischen Achse 17 des optischen Detektors 5 zur
Deckung zu bringen, d.h. die optische Linse 7 und den optischen Detektor 5 hinsichtlich
ihrer optischen Achsen 17 möglichst fluchtend aufeinander
auszurichten, wird für
unterschiedliche örtliche
Positionen des optischen Detektors 5 ein Abbild eines Referenzobjekts 33 durch
die optische Linse 7 aufgenommen und jeweils die Schärfe der
Aufnahme durch ein oder mehrere entsprechende Auswertekriterien
beurteilt. Zur Aktivierung der Leiterplatte 4 mit dem optischen
Detektor 5 sowie der optischen Beleuchtungsquellen bzw. -strahler 10, 11 wird
in die Buchse 20 ein Stecker 21 eingesteckt. Dieser
Stecker 21 ist über
eine elektrische Verbindungsleitung 221 mit einer Steuereinrichtung 32 verbunden,
die gleichzeitig eine elektrische Energiequelle wie z.B. Stromquelle
oder Spannungsquelle aufweist. Die optischen Strahler 10, 11 leuchten
dabei innerhalb ihrer abgestrahlten Lichtkegel 191, 192 das
Referenzobjekt 33 an.
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Das
Referenzobjekt 33 weist zwei Codescheiben 341, 342 auf,
wie sie im Kraftfahrzeugbau auf einer Kfz-Längsachse zwischen dem Lenkgetriebe
und dem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Das Referenzobjekt 33 bildet
also die tatsächlichen
Verhältnisse
von aufzunehmenden Codescheiben auf der Kfz-Längsachse eines Kraftfahrzeugs
zur Bestimmung deren Drehmoments sowie Drehwinkels nach. Hier im
Ausführungsbeispiel
von 1 sitzen die beiden Codescheiben 341, 342 auf einer
Drehachse 36, die beidseitig in Halterungsvorrichtungen
bzw. Lager 37 gelagert ist. Zwischen den beiden Codescheiben, 341, 342 ist
ein Torsionsstab 35 vorgesehen. Die von den LEDs, insbesondere IR-LEDs,
der optischen Strahler 10, 11 emittierte Strahlung
wird durch über
den LEDs befindliche Linsen 105, 106 auf die beiden
Codescheiben 341, 342 projiziert. Die Strahlungskegel
dieser emittierten Strahlung sind in der 1 mit 191, 192 bezeichnet. Von
den beiden Codescheiben 341, 342 wird Strahlung 193 reflektiert
und über
die optische Linse 7 auf den Detektor 5 abgebildet.
Der optische Detektor 5 wandelt die aufgenommene optische
Bildinformation in elektrische Signale 24 um und leitet
diese zur Auswertung über
die Einpress-Pins 15, 16, seine zugehörige Verbindungsleitung 141,
den Stecker 21 sowie die Verbindungsleitung 222 an
die Steuervorrichtung 32 weiter. Diese ermittelt, ob die
jeweilige Aufnahme des Referenzobjekts 33 scharf genug
ist. Ist dies nicht der Fall, so ist noch keine ausreichende Fokussierung
der optischen Linse 7 auf den optischen Detektor 5 gegeben.
Dies bedeutet, dass die optische Linse 7 bezüglich ihrer örtlichen
Lage noch nicht ausreichend auf das vorgegebene Fokussierfeld des
optischen Detektors 5 ausgerichtet ist. Deshalb weist die
Steuervorrichtung 32 über
eine Steuerleitung 251 die Stellvorrichtung 25 an,
die Positioniervorrichtung 50 lateral bezüglich der
optischen Achse 17, d.h. in der Lageebene der Leiterplatine 4 in
x- und y-Richtung 181, 182 zu verschieben. Erst
wenn anhand vorgegebener Abbildungskriterien die Steuervorrichtung 32 feststellt,
dass die optische Achse des Detektors 5 mit der optischen
Achse der Linse 7 weitgehend fluchtet, ist die Montageposition
des ersten Kunststoff-Gehäuseteils 1 zum
Zusammenfügen
mit dem Kunststoff-Gehäusestutzen 2 erreicht.
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Vor
oder während
dieses lateralen Ausrichtprozesses des optischen Detektors und der
optischen Linse relativ zueinander werden die Randflansche des ersten
Kunststoff-Gehäuseteils 1 mit
den dort aufsitzenden Querstegen des Kunststoff-Gehäusestutzens 2 laserdurchstrahlverschweißt, d.h.
stoffschlüssig
miteinander verbunden. Dazu aktiviert die Steuervorrichtung 32 über Steuerleitungen 26, 27 ein oder
mehrere Laserschweißgeräte 281, 282,
die Laserstahlen 291, 292 in Richtung auf die
Verbindungsbereiche 311, 312 zwischen dem ersten
Kunststoff-Gehäuseteil 1 und
dem zweiten Kunststoff-Gehäuseteil 2 bzw.
dem Gehäusestutzen 2 richten. 6 zeigt
schematisch in seitlicher Durchsichtsdarstellung den fertigen Drehmoment-
und Winkelsensor nach Durchführung
des Ausricht- und Verschweißprozesses
seiner beiden Kunststoff-Gehäuseteile
gemäß dem Herstellungsverfahren
von 1.
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Auf
diese Weise lässt
sich der Drehmoment- und Drehwinkelsensor 40 in einfacher
und zuverlässiger
Weise präzise
herstellen. Da aktiv vor und/oder während des Laserdurchschweißprozesses
zwischen dem Gehäusestutzen
und dem ersten Kunststoff-Gehäuseteil
die Schärfe
des abgebildeten Referenzobjektes durch die Steuervorrichtung 32 fortlaufend
beurteilt wird und von dieser noch steuernd in die Positionierung
des optischen Detektors 5 eingegriffen werden kann, lässt sich
in kontrollierter Weise die Ausrichtung der optischen Achse des
Detektors auf die optische Achse der optischen Linse erreichen. Gleichzeitig
lässt sich
eine dichte, dauerhafte Verbindung des Kunststoff-Gehäusestutzens
und des ersten Kunststoff-Gehäuseteils
aneinander entlang einem gemeinsamen Kontaktbereich erzielen. Dieser ist
hier im Ausführungsbeispiel
insbesondere kreisringförmig
ausgebildet.
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Zusammenfassend
betrachtet wird also zur Herstellung bzw. zur Montage des Drehmoment-
und Winkelsensors dessen ersten Gehäuseteil mit der vormontierten
Hauptleiterplatte mit dem darauf befindlichen Detektor aktiv zum
zweiten Gehäuseteil, das
die optische Linse beinhaltet, ausgerichtet und gleichzeitig beide
Kunststoff-Gehäuseteile
miteinander zum Gesamtgehäuse
laserdurchverschweißt
und damit fest miteinander verbunden.
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Ggf.
kann es zweckmäßig sein,
zusätzlich zur
lateralen Positionierung des optischen Detektors im ersten Kunststoff-Gehäuseteil
mit Hilfe der Positioniervorrichtung 50 eine axi ale Verschiebung
entlang der optischen Achse 17 des optischen Detektors,
d.h. in z-Richtung vor und/oder während des Laserdurchschweißprozesses
vorzunehmen. Insbesondere ist es vorteilhaft, während des Laserdurchschweißprozesses
die beiden Kunststoff-Gehäuseteile 1, 2 unter Druck
um einen vorgebbaren Höhenabstand 41 aufeinander
zu zu bewegen. Diese Einzelheit ist in der 1 mit einem
strichpunktierten Kreis II gekennzeichnet und in 2 im
Detail veranschaulicht. Dort ist die Anpresskraft der beiden Kunststoff-Gehäuseteile 1, 2 aufeinander
durch Pfeile 38 symbolisiert. Dadurch, dass die beiden
Gehäuseteile
während
ihres Laserdurchschweißens
in den gemeinsamen Kontaktbereichen 311, 312 aufeinander
zu bewegt werden, wird eine besonders innige Kunststoffverschweißung und
damit stoffschlüssige
Verbindung bewirkt.
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Insbesondere
sind somit zwei Herstellungsvarianten vorteilhaft:
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Variante A:
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Eine
Haltevorrichtung, welche ein abzubildendes Referenzobjekt enthält, wird
identisch dem späteren
Lenkgetriebe mit dem optischen Sensor bzw. Sensorstutzen verbunden.
Das Referenzobjekt repräsentiert
insbesondere zwei Codescheiben, die an der Lenkachse eines Kraftfahrzeugs
montiert sind. Ihre Form und örtliche
Lage bezüglich
des Lenkgetriebes wird also durch das Referenzobjekt nachgebildet.
Ein elektrischer Stecker wird auf den optischen Sensor aufgesteckt
und der Sensor in Betrieb genommen sowie eine Prozedur zur optischen Justage
des optischen Detektors auf die optische Linse im Gehäusestutzen
gestartet. Durch den Betrieb des Sensors wird das Abbild des Referenzobjekts
auf den sensitiven Bereich des Opto-ASICs des optischen Detektors zumindest
teilweise scharf abgebildet. Eine Positioniervorrichtung verschiebt
das Gehäuse
so lange, wie noch eine ausreichend große Kontaktzone zwischen dem
Gehäusestutzen
und dem ersten Kunststoff-Gehäuseteil
vorhanden sowie das Abbild exakt auf dem Opto-ASIC des Detektors positioniert ist.
Ein umlaufender Laser strahl verschweißt den Stutzen mit dem Gehäuse, ohne
den Abstand der Linse zum Opto-ASIC des Detektors zu verändern. Somit
ist eine zweidimensionale Positionierung mit gleichzeitiger Verbindung
der beiden Gehäuseteile
aneinander möglich.
Dieser Prozess verläuft
schnell und bildet eine sehr gute, dichte Verbindung der beiden
Kunststoffteile.
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Variante B:
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Wie
bei Variante A wird eine Vorrichtung, welche ein abzubildendes Referenzobjekt
enthält, identisch
dem späteren
Lenkgetriebe mit dem Sensor bzw. Sensorstutzen verbunden. Ein Stecker
wird aufgesteckt und der Sensor wird in Betrieb genommen sowie das
Programm für
die optische Justage des optischen Detektors bezüglich der optischen Linse gestartet.
Durch den Betrieb des Sensors wird das Abbild des Referenzobjekts
auf den sensitiven Bereich des Opto-ASICs des optischen Detektors
zumindest teilweise leicht unscharf abgebildet, da ein vorgehaltener
Abschmelzweg des Kunststoffes am Stutzen die Linse nicht mit exakten
Abstand zum Opto-ASIC positioniert. Eine Positioniervorrichtung
verschiebt das Gehäuse
im Rahmen der maximal möglichen
Vorgaben so lange, bis das Abbild auf dem Opto-ASIC positioniert
ist. Dieses Verschieben verläuft simultan
zum Laserschweißen,
so dass beim Aufschmelzen des Kunststoffs der Abstand der Linse zum
Opto-ASIC des optischen Detektors exakt durch Zusammendrücken beider
Schweißpartner
eingestellt werden kann und der erweichte Kunststoff auch noch gleichzeitig
eine laterale Lagekorrektur erlaubt. Somit ist eine quasi dreidimensionale
Positionierung mit gleichzeitiger Verbindung der beiden Kunststoffteile
möglich.
Der Abstand, um den der Abschmelzweg vorgehalten wird, ist in der 2 mit
dem Bezugszeichen 41 versehen.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
an Stelle des ersten Gehäuseteils
mit dem optischen Detektor den Gehäusestutzen mit der optischen
Linse lateral zur optischen Achse des Detektors sowie ggf. zusätzlich entlang
dessen optischer Achse zu verschieben.
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Allgemein
betrachtet wird also eine Relativverschiebung lateral zur optischen
Achse und ggf. zusätzlich
längs dieser
optischen Achse des optischen Detektors vor und/oder während des
Laserdurchschweißprozesses
der beiden Kunststoff-Gehäuseteile
durchgeführt.
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Die
vorstehend erläuterten
Herstellungsvarianten eignen sich zur Fertigung vielfältig konstruierter
optischer Sensoren. Insbesondere kann der optische Detektor, dessen
Detektorgehäuse
sowie dessen Leiterplatte verschiedenartig ausgeführt sein. Insbesondere
können
auch Leiterplatten in Chip-on-board-Technologie
(COB) verwendet werden. Entsprechend können für den optischen Sensor vielfältige Ausführungsformen
von optischen Strahlern verwendet werden. Insbesondere können LED-Leiterplatten
in SMT-Bauform, sogenannte Top-LED, die standardisiert auf einer
Leiterplatte verlötet
sind, in den optischen Sensor verbaut werden. Über diese Top-LEDs kann zur
Bündelung
der Strahlung eine Kunststoffleiste aus optisch transparentem Kunststoff
montiert, insbesondere geklebt, werden, welche Linsenformen in der
Lage und Anzahl der Top-LEDs trägt.
Die jeweilige Leiterplatte dieser optischen Strahler weist mindestens
zwei Einpresszonen für
Press-Pins auf, welche in vorteilhafter Weise in der Längsachse
der Leiterplatte liegen.
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Mit
Hilfe der optischen Strahler des optischen Sensors werden die Codescheiben
auf der Lenkachse eines Kraftfahrzeugs beleuchtet. Die von diesen
Codescheiben reflektierte Strahlung wird über die optische Linse auf
den optischen Detektor gelenkt. In der auf den optischen Detektor
auftreffenden Strahlung ist codierte Winkelinformation in redundanter
Form durch das Vorhandensein von zwei Codescheiben enthalten. Aufgrund
der zeitlichen Verzögerung
zwischen den Informationen der beiden Abbildungen der beiden Codescheiben,
zwischen denen sich ein Torsionsstab befindet, ist in der Praxis
auch dieje nige Information enthalten, die als Drehmoment der Lenkachse
interpretiert werden kann.
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Zur
Herstellung des optischen Sensorelements werden somit in vorteilhafter
Weise nur noch folgende Schritte durchgeführt, wenn die Standard-SMT-Montage
aller Bauelemente auf allen Leiterplatten nicht berücksichtigt
wird:
- • Klebemontage
der optischen Linse in den Gehäusestutzen
und der Kondensorleisten auf die LED-Leiterplatten
- • Einpresstechnik
der Hauptleiterplatte sowie der LED-Leiterplatten auf die vorgesehenen Press-Pins,
und
- • Laserdurchstrahlschweißen des
Gehäusedeckels
mit gleichzeitig spezieller Ausrichtung des Gehäusestutzens.
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Das
optische Sensorelement wird zusammenfassend betrachtet aus einem
ersten Kunststoff-Gehäuseteil
mit einer Hauptleiterplatte sowie darauf sitzendem optischen Detektor
und einem zweiten Gehäuseteil
mit einer integrierten optischen Linse zusammengesetzt. Als Kunststoff
für beide
Gehäuseteile
wird insbesondere ein laserdurchstrahlschweißbarer Kunststoff verwendet.
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Dabei
werden zum Zusammenfügen
des Gesamtgehäuses
für den
optischen Sensor zweckmäßigerweise
folgende Konstruktionsschritte durchgeführt:
In einer unteren
Montagekavität
des ersten Kunststoff-Gehäuseteils
wird die Hauptleiterplatte mit dem optischen Detektor auf Einpresspins
eingepresst. Die Kavität
wird mittels Standard-Laserdurchstrahlschweißen mit einem Kunststoffdeckel
verschlossen. Auf der Oberseite des ersten Gehäuseteils sind abgewinkelte
Montagebereiche vorgesehen, auf denen LED-Leiterplatten mittels Einpresstechnik
eingepresst werden. Auf der Oberseite des ersten Gehäuseteils
ist ein um die LED-Leiterplatinen
umlaufender Kontaktbereich für
das vorstehend erläuterte
sensorsignalgeregelte Laserdurchstrahlschweißverfahren vorgesehen. Im ersten
Gehäuseteil
ist eine Steckerbuchse und eine optische Öffnung bzw. Blende vorgesehen.
Die im Standard-SMT-Prozess bestückte Halbleiterplatte
wird in die untere Gehäusekavität eingepresst,
welche anschließend
mit einem Kunststoffdeckel mittels Standard-LDS verschlossen wird. Die
LED-LPs, welche SMT-LEDs und die Kondensorbars tragen, werden auf
der anderen Gehäuseseite eingepresst
und können
bei Bedarf noch mit einem Sicherungsklebstoff zusätzlich befestigt
werden. In einem laserdurchstrahlschweißbaren Gehäusestutzen, welcher durch seine
Formgebung gleichzeitig die Verbindung zum Lenkgetriebe darstellt,
wird die zentrale Linse eingeklebt. Weiterhin weist der Gehäusestutzen
zwei Öffnungen
auf, durch welche die Strahlung auf das abzubildende Objekt strahlen kann.
Die Ausrichtung des Gehäusestutzens
zum ersten Gehäuseteil
erfolgt über
den vorstehend erläuterten
sensorsignalgesteuerten Laserdurchstrahlschweißprozess nach den Varianten
A oder B. Somit ist eine schnelle, kostengünstige und fertigungssichere
Ausrichtung der optischen Achse zwei- oder auch dreidimensional
möglich.
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Insbesondere
resultieren folgende Vorteile:
- • Verzicht
auf ein Aluminium-Druckgussgehäuse und
damit auch Verzicht auf veredelte Aluminiumoberflächen für die Klebeprozesse,
welche z.B. durch spanende Verfahren und/oder durch Chromatierung
der Aluminium-Oberfläche
hergestellt werden. Dies führt
zu einer signifikanten Kosteneinsparung.
- • Keine
Wechselwirkung von Klebstoffen mit Prozesschemikalien bei der Aluminium-Druckgussveredelung,
z.B. Schmierschleifstoffe, Emulsionen, Reinigungsmittel, etc.. Daraus
resultiert eine verbesserte Fertigungssicherheit.
- • Reduzierung
der Klebeverbindungen auf zwei Stück:
- – Linse
(Kunststoff, z.B. PSU) zum Gehäusestutzen
Kunststoff, z.B. PPT-GF30)
- – Kondensorbar
(Kunststoff, z.B. PSU) zur LED-Leiterplatte
(z.B. FR4 o.ä.).
- • Reduzierung
der verwendeten Klebstoffe auf maximal zwei Klebstoffe. Auch dadurch
werden die Fertigungskosten reduziert.
- • Es
können
Standardklebstoffe, z.B. mit thermischem Härtemechanismus, verwendet werden. Es
werden somit exotische Klebeverbindungen wie z.B. UV-Kleber auf
Aluminium vermieden.
- • Die
bisherige aktive Ausrichtung der Hauptleiterplatte in einem Klebstoffreservoir
wird vermieden. Der damit einhergehende Kostenaufwand wird somit
vermieden.
- • Einfache
Kontaktierung zur aktiven Ausrichtung der optischen Achse durch
einen Stecker. Eine Tastnadelkontaktierung ist nicht mehr erforderlich. Dadurch
wird die Fertigungssicherheit erhöht.
- • Die
aktive Ausrichtung der optischen Achse mittels dem mit dem Sensorsignal
geregelten, bzw. gesteuerten, Laserdurchstrahlschweißen (LDS) ist
sehr schnell. Dadurch wird Zeit und Kosten eingespart.
- • Das
Ausrichten der Linse zum Detektor mittels oben genannten geregeltem
LDS kann zwei- oder dreidimensional erfolgen.
- • Die
EPT aller Leiterplatten sind bekannte Standardprozesse und bedürfen keiner
Neuentwicklung.
- • Bei
der Verwendung von zwei LED-Leiterplatten sind diese durch entsprechende
Gestaltung des Gehäuses
auch mit einem speziellen Abstrahlwinkel zueinander montierbar (mit
entsprechendem EPT-Werkzeug). Dadurch ist eine vereinfachte Ausführung der
Kondensorbars ohne Strahlumlenkung möglich. Weiterhin resultiert
eine erhöhte Strahlungsausbeute
der verwendeten LEDs.
- • Verzicht
auf eine Stecker-Pin-Leiste auf der Hauptleiterplatte. Dies führt auch
zu Kostenreduktion.
- • Durch
Aufstecken und Abziehen des Steckers vom Gehäuse werden keine Kräfte auf
die Leiterplatte übertragen,
im Gegensatz zum bisherigen Konzept. Dadurch wird die Funktionssicherheit
erhöht.
- • Hohe
Erfahrungswerte mit lasergeschweißten Gehäusen im Automobilbereich, wie
z.B. bei Millionen produzierter Airbagsensoren.
- • Erhebliche
Reduzierung des Entwicklungsaufwandes und der Entwicklungskosten
durch die Verwendung standardisierter Prozesse, da lediglich der
sensorsignalgeregelte LDS-Prozess
eingeführt
wird.
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Auf
diese Weise ist insbesondere ein optischer Sensor bereitstellbar,
dessen LEDs, insbesondere IR-LEDs, Strahlung emittieren, die über den LEDs
befindlichen Linsenanordnungen (= Kondensorbars) auf Codescheiben
projiziert werden, die sich auf einer Lenkachse befinden. Die von
den Codescheiben reflektierte Strahlung wird über eine zentrale Linse auf
den auf der Hauptleiterplatte befindlichen Detektor mit dem darin
befindlichen Opto-ASIC fokussiert. Die auf dem optischen Detektor
auftreffende Strahlung enthält
die codierte Winkelinformation in redundanter Form (zwei Codescheiben)
und aufgrund einer zeitlichen Verzögerung zwischen den Informationen
der beiden Codescheiben, da sich zwischen diesen ein Torsionsstab
befindet, auch diejenige Information, die als Drehmoment interpretiert
wird. Sowohl Winkel- als auch Drehmomentinformationen werden in
Fahrdynamikregelungen und -systemen weiterverarbeitet. Aufgrund
der zunehmenden Steuerungsfunktionen am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs und
des dadurch immer geringeren Platzangebots an der Lenkachse im Fahrzeuginnenraum
wird diese Winkel- und Drehmomentinformation direkt am Lenkgetriebe,
also im Motorraum von Fahrzeugen, ermittelt. Dort sind höhere Anforderungen
an den optischen Detektor gestellt, da er strengeren Umweltbedingungen
im Motorraum ausgesetzt ist.
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Insgesamt
betrachtet ist somit ein „Low-Cost" Drehmoment- und
Winkelsensor für
den Einsatz in Automobilen bereitgestellt, bei dessen Herstellungsprozess
die optisch sensitive Chipfläche des
Detektors zur zentralen Linse des Sensors in vorteilhafter Weise
durch einen sensorsignalgeregelten Laserdurch strahlschweißprozess
optisch aktiv ausgerichtet und gleichzeitig mechanisch befestigt
werden kann.