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Die Erfindung betrifft einen induktiv arbeitender Sensor, insbesondere zur Abstands- oder Positionsmessung eines metallischen Objekts.
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Induktive Sensoren werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt für Messaufgaben, zur Überwachung von Maschinen und Anlagen oder zur Prozessautomatisierung. Man unterscheidet in der Regel zwischen einfachen, schaltenden Sensoren und kontinuierlichen Abstandssensoren. Erstere werden auch als Näherungsschalter (proximity switch) bezeichnet, weil sie bei Annäherung eines metallischen Objektes bei einem bestimmten Abstand ein Schaltsignal liefern. Die zweite Gruppe liefert dagegen bei Annäherung eines Objektes ein kontinuierliches, abstandsabhängiges Signal, weshalb diese Sensoren zur Abstands- und Positionsmessung eingesetzt werden.
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Induktive Sensoren bestehen im Wesentlichen aus mindestens einer Spule, die mit einer Wechselspannung gespeist wird. Nähert sich an diese Spule ein metallisches Objekt an, gibt es im Wesentlichen zwei Effekte. Im Metall werden Wirbelströme induziert, die der ursprünglichen Erregung entgegenwirken (Lenzsche Regel) und eine Rückwirkung auf die Spule erzeugen. Dieser Effekt tritt vor allem bei Objekten aus elektrisch gut leitenden Materialien auf, unabhängig davon, ob sie ferromagnetisch sind oder nicht. Bei ferromagnetischen Objekten gibt es einen zusätzlichen Effekt. Durch die Annäherung eines Objekts aus ferromagnetischem Material an die Spule ändert sich deren Induktivität, was ebenfalls zur Detektion des Objekts verwendet werden kann.
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Häufig wird bei induktiven Sensoren ein ferromagnetischer Kern verwendet, um die Induktivität der Spule zu erhöhen. Zusätzlich kann durch den Kern das elektromagnetische Feld der Spule geführt werden, wodurch größere Mess- bzw. Schaltabstände erzielt werden.
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Eine Sonderform der induktiven Sensoren sind Wirbelstromsensoren, die ohne Kern arbeiten. Aufgrund der geringeren Induktivität der Spule müssen diese bei deutlich höheren Frequenzen betrieben werden als induktive Sensoren mit Kern.
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Induktive Sensoren im engeren Sinne benötigen einen ferromagnetischen Kern, der die Induktivität der Spule erhöht und das elektromagnetische Feld führt. Sehr häufig werden bei diesen Sensoren Schalenkerne verwendet, die einen E-förmigen Querschnitt aufweisen. Der Schalenkern besitzt eine Vertiefung, die die Spule aufnimmt. Durch den E-förmigen Querschnitt wird die Spule bis auf die Stirnseite mit ferromagnetischem Material umgeben, was eine sehr effiziente Feldführung ergibt. Feldlinien treten ganz überwiegend stirnseitig aus, so dass das Messfeld Richtung Messobjekt geführt wird. Es gibt jedoch auch andere Kernformen, die je nach Anwendung angepasst sind. Der einfachste Kern besteht aus einem zylinderförmigen Spulenkörper, um den die Spule herumgewickelt ist. Sehr häufig besteht der Kern aus einem Ferritkörper, der durch Sintern oder Pressen aus Ferritpulver hergestellt wird. Nachteilig dieser Kerne ist, dass das Material sehr spröde ist und nach dem Sintern leicht brechen kann. Auch ist eine nachträgliche Bearbeitung nicht mehr oder nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand möglich.
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Die Spule herkömmlicher Sensoren besteht aus Kupferdraht, der entweder in Form einer Luftspule oder auf einen Spulenkörper aus Nichtmetall gewickelt ist. Auch andere Ausführungen von Spulen sind bekannt. So findet man auch Flachspulen auf der Basis von Leiterplatten. Die Spule ist eine Leiterbahn, die auf einer Leiterbahn oder Flachfolie aufgebracht ist. Zur Erhöhung der Induktivität können auch mehrere Lagen in der Leiterplatte mit einer Spule gebildet sein, indem die Spulenlagen mittels Durchkontaktierungen verbunden sind. Besonders vorteilhaft für Hochtemperaturanwendungen sind Spulen in Mehrlagen-Keramiksubstraten. Mit dieser sogenannten LTCC-Technologie (Low-Temperature Cofired Ceramics) oder HTCC-Technologie (High-Temperature Cofired Ceramics) können mehrlagige Keramiksubstrate durch Sintern zu einem kompakten Block verbunden werden. Vor dem Sintern werden auf die Einzellagen der Keramikfolie die Leiterbahnen und Spulen aufgebracht und über Durchkontaktierungen verbunden. Nach dem Sintern besteht die Spule aus einem kompakten Block, der hohen mechanischen und thermischen Belastungen widersteht.
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Die Spule wird mit der Elektronik verbunden, die üblicherweise im Sensorgehäuse angeordnet ist. Die Elektronik umfasst einen Oszillator, der die Wechselspannung erzeugt und das Signal der Spule demoduliert. Zur Auswertung kann entweder die Amplitude, die Frequenz, die Phase oder eine Kombination aus diesen Parametern verwendet werden.
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Aufgrund des berührungslosen Wirkprinzipes induktiver Sensoren werden diese bevorzugt eingesetzt, da es keine Rückwirkung auf das Messobjekt gibt. Deshalb werden sie auch bevorzugt in schwierigen, rauen Umgebungsbedingungen verwendet. Staub, Schmutz, Wasser, Öl oder andere Verschmutzungen beeinflussen das Messsignal nicht. Damit der Sensor jedoch gegenüber diesen Umwelteinflüssen geschützt ist, muss die Spule gekapselt sein. Dies geschieht in einfachen Sensoren mittels Kunststoffkappen. Bei schwierigeren Umgebungsbedingungen werden Sensoren eingesetzt, deren Gehäuse komplett aus Edelstahl besteht. Nachteilig bei diesen Vollmetall-Sensoren ist jedoch, dass das Edelstahlgehäuse den Sensor vorbedämpft, da auch im Edelstahl Wirbelströme induziert werden. Daher sinkt die Empfindlichkeit dieser Sensoren gegenüber Sensoren mit Kunststoffkappe. Alternativ werden auch Keramikkappen eingesetzt, die das Messsignal nicht beeinflussen und robust gegen äußere Einflüsse sind. Die Keramikkappe deckt dabei die Stirnseite des Sensors ab, darunter liegt der Ferritkern mit der Spule. Um nicht zu viel des Messbereiches zu verlieren, darf die Kappe nicht zu dick sein. Nachteilig ist hier, dass diese kompliziert zu formen sind und gerade bei Schock oder Vibrationsbelastung leicht brechen können.
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Der Aufbau herkömmlicher induktiver Sensoren besteht somit aus mehreren Bauteilen unterschiedlicher Materialien, die im Fertigungsprozess zueinander gefügt werden müssen. Dabei sind Materialien wie Edelstahl, Kunststoff, Keramik, Ferrit, Kupferdraht sowie die Elektronikplatine dauerhaft und fest zu kombinieren. Üblicherweise werden diese verschiedenen Komponenten mit einer Vergussmasse im Gehäuse vergossen. Gerade bei schwierigen Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, aggressive Medien, bei Unter- oder Überdruck, bei hohen oder tiefen Temperaturen, unter Schockbelastung oder Vibrationen ist es schwierig, den Sensor dauerhaft abzudichten und gegen diese Umgebungsbedingungen zu schützen. Bei wechselnden Temperaturen müssen auch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien berücksichtigt werden. Es kann dann zu hohen Spannungen und Relativbewegungen der einzelnen Komponenten zueinander kommen, welche das Messergebnis bzw. den Schaltabstand verfälschen. Weiter können Verbindungsstellen bei Temperaturwechseln aufbrechen. Bei Schock- oder Vibrationsbelastung können die unterschiedlichen Materialien in Resonanz geraten und brechen. Besonders empfindlich sind hier die Lötstellen des Spulendrahtes bzw. der Anschlusslitzen. Auch der Ferritkern der Spule kann leicht brechen. Dieser mehrteilige Aufbau besitzt aufgrund der verschiedenen Materialien zahlreiche Problemzonen, die gerade in rauer Umgebung brechen oder sonst wie versagen können. Zusätzlich ist der Aufbau komplex und erfordert einen hohen Fertigungsaufwand.
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Aus der
US 5 900 797 A ist ein induktives Bauelement und genauer gesagt eine Spulenanordnung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Spulenanordnung bekannt. Dabei ist eine Spule
20,
21 in eine Keramik
38 eingebettet. Die Spule
20,
21 bildet gemeinsam mit der Keramik
38 einen Spulenkörper
2. Des Weiteren weist das bekannte Bauelement einen ferromagnetischen Kern
3 auf, wobei der Spulenkörper
2 und der Kern
3 fest miteinander verbunden sind.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2007 028 239 A1 ein monolithisches induktives Bauelement mit einem keramischen Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und einem magnetischen Kern mit ferritischem Kernmaterial bekannt. Die dortige Spule ist in einen keramischen Mehrschichtkörper eingebettet und bildet gemeinsam mit der Keramik einen Spulenkörper. Der Spulenkörper und der Kern sind fest miteinander verbunden.
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Weiterhin zeigt die
US 4 742 283 A ein Führungssystem für induktiv gekoppelte elektrische Fahrzeuge. Dabei sind gemäß dortiger
6 voneinander beabstandete Spulen geeignet, Umgebungsbedingungen zu erfassen und damit auch, wenn Sie von einem Strom durchflossen sind, eine Änderung des induktiven Verhaltens beim Annähern eines metallischen Objekts zu zeigen.
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Weiterhin ist aus der
AT 205 626 B eine Hochfrequenzspule, insbesondere für UKW, bekannt, wobei induktive Bauelemente mit ferromagnetischen Schraubenmuttern verwendet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsbildenden induktiv arbeitenden Sensor derart auszugestalten und weiterzubilden, dass er bei robustem Aufbau ein hohes Maß an Ausfallsicherheit liefert. Er soll in schwieriger Umgebung einsetzbar und bei einfachem Aufbau kostengünstig in der Herstellung sein. Ein Verfahren soll sich zur Herstellung eines solchen Sensors besonders eignen.
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Die voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sensor umfasst mindestens eine Spule, einen ferromagnetischen oder ferritischen Kern und ggf. ein Gehäuse, wobei die Spule und der Kern das Sensorelement bilden. Die Spule ist in einer ein- oder mehrlagige Keramik eingebettet und bildet gemeinsam mit der Keramik einen Spulenkörper. Der Spulenkörper und der Kern sind fest miteinander verbunden.
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Bei dem beanspruchten Verfahren wird der Spulenkörper fest mit dem Kern verbunden. Zur Realisierung einer solchen Verbindung ist wesentlich, dass zwischen dem Spulenkörper und dem Kern eine Anpassung in der Geometrie vorliegt, um nämlich ein möglichst formschlüssiges Ineinandergreifen von Spulenkörper und Kern zu realisieren. Die gegenseitig angepassten Geometrien sind somit von ganz besonderer Bedeutung.
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Eine besonders kompakte und dabei robuste Bauweise des Sensors lässt sich dadurch realisieren, dass der die Spule und die Keramik umfassende Spulenkörper fest mit dem Kern verbunden ist, nämlich dadurch, dass der Spulenkörper den Kern oder der Kern die Spule regelrecht umfasst. Ein gegenseitiges Umfassen oder gar ein gegenseitiges Ineinanderdringen von Spulenkörper und Kern kann im Lichte der Erfindung realisiert sein.
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Im Rahmen einer ersten Variante ist der Spulenkörper in sich geschlossen ausgeführt und ist in einen als Topfkern ausgeführten Kern eingesetzt. Dabei kann der Spulenkörper chipartig, pillenartig, etc. monolithisch ausgeführt sein, wobei der Spulenkörper insgesamt durch den Topfkern aufgenommen und darin fest verankert bzw. befestigt ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Spulenkörper eine Ausnehmung bzw. Aussparung auf, in die sich der Kern, wie auch immer hergestellt fest einsetzen lässt. Die zur Aufnahme des Spulenkörpers dienende Ausnehmung bzw. Aussparung kann unterschiedlichste Querschnitte aufweisen, beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, dreieckigen, viereckigen bzw. rechteckigen Querschnitt.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass der Spulenkörper zumindest auf der der Messseite abgewandten Seite eine vorzugsweise mittige Ausnehmung aufweist und dass der Kern insgesamt oder teilweise, beispielsweise in Form eines Zapfens, vorzugsweise von der der Messseite abgewandten Seite her, d.h. von hinten, in die Ausnehmung eingesetzt ist. Auch hier ist eine feste Verbindung von besonderer Bedeutung.
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Es ist wesentlich, dass der Kern fest mit dem Spulenkörper verbunden ist, beispielsweise fest in einer Ausnehmung des Spulenkörpers sitzt. Dazu kann er - als Formkörper - in die Ausnehmung eingepresst und/oder eingeklebt und/oder eingegossen bzw. umgossen und/oder eingelötet sein, wobei sich das Einlöten mittels Aktivlot in besonderem Maße anbietet.
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Alternativ und im Rahmen einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kern aus gesintertem ferromagnetischem Pulver oder Ferrit-Pulver bestehen, wobei sich dieser vorzugsweise in situ herstellen lässt, nämlich beispielsweise in einer Sinterform bei eingelegtem Spulenkörper. Die sintertechnologische Formgebung kann gemeinsam mit der ein- oder mehrlagigen Keramik zum Einbetten der Spule erfolgen, so dass von vornherein eine besondere Formgebung des gesamten Bauteils möglich ist.
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In Bezug auf eine gute Haftung des Kerns gegenüber dem Spulenkörper ist es von weiterem Vorteil, wenn das pulvertechnologisch zur Formgebung gedachte Ferrit-Pulver mit Glaspulver versetzt ist, wodurch sich eine günstige Grenzflächensituation gegenüber dem Spulenkörper ergibt.
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Das Gehäuse oder ein Teil davon kann durch die Sinterform definiert werden. Auch hier handelt es sich um eine alternative Ausgestaltung.
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Als Kern kommen unterschiedlichste Kerntypen in Frage, beispielsweise ein Schalenkern, ein P-Kern, ein PM-Kern, ein E-Kern, etc. Jedwede handelsüblichen Ausgestaltungen von geeigneten Kernen sind denkbar und lassen sich je nach Bedarf verwenden.
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Der Kern kann aus einem Material mit hoher Permeabilität bestehen, beispielsweise aus ferromagnetischen Folien bzw. Mu-Metallfolien, die aufeinander gestapelt bzw. geschichtet sind.
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Zum Sensorelement sei noch einmal angemerkt, dass dieses die Spule und den Kern umfasst. Dieses Sensorelement kann zumindest einen Teil des Gehäuses bilden. Ebenso ist es denkbar, dass das Sensorelement mit dem Gehäuse und/oder dem Kern vorzugsweise mittels Aktivlot verbunden ist. Beliebige geeignete Verbindungstechniken, die zu einer festen Verbindung führen, sind realisierbar.
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Die Stirnseite des Sensorelements ist als ebene, durchgängige Keramik-Oberfläche ausgeführt. Die Stirnseite des Sensorelements kann einen Teil des Gehäuses bilden, nämlich den Gehäusedeckel.
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Die Stirnseite des Sensorelements ist integraler Bestandteil eines sintertechnologisch erzeugten Spulenkörpers, wobei die messseitige Oberfläche vor dem Sintern entsprechend den Oberflächenmerkmalen des Objekts spezifisch geformt sein kann.
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Auf der der Messseite abgewandten Seite, d.h. auf der hinteren Seite des Sensors bzw. des Sensorelements, kann eine keramische Abdeckung vorgesehen sein, ähnlich wie auf der Mess- bzw. Vorderseite.
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Unter Bezugnahme auf konkrete Anwendungen ist es von Bedeutung, dass der erfindungsgemäße Sensor aus einem Sensorelement besteht und die Spule vorzugsweise in eine Mehrlagen-Keramik eingebettet ist. Die Spule wird vor dem Sinterprozess auf die ungebrannte, „grüne“ Keramikfolie (z. B. Dupont GreenTape™ 951) aufgedruckt oder mittels Prägestempel und Rakel aufgebracht. Mehrere Lagen an Folie werden dann präzise übereinander gestapelt und bei Temperaturen im Bereich von 800...900°C (LTCC) oder 1600...1800°C (HTCC) gesintert. Der Vorteil von LTCC ist, dass aufgrund der niedrigeren Temperatur einfachere Materialsysteme mit hoher Leitfähigkeit für den Druck der Leiterbahnen verwendet werden können. Es können die aus normalen Dickschichtprozessen bekannten Verfahren verwendet werden.
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Die Keramikfolien des Sensors werden derart gestaltet, dass stirnseitig eine nahezu ebene glatte Fläche entsteht. Rückwärtig ist das Sensorelement so gestaltet, dass ein Ferritkern eingebracht werden kann. Dazu hat das Sensorelement außerhalb der Spule eine bevorzugt kreisförmige oder rechteckige Aussparung, die den Kern aufnehmen kann. Erfindungsgemäß ist besonders vorteilhaft, wenn der Ferritkern mit dem Sensorelement eine feste Verbindung eingeht. Bei geeigneter Materialauswahl kann somit eine kompakte, feste Einheit aus dem Sensorelement und dem Kern erzielt werden, die entweder in ein Metallgehäuse eingebracht werden kann oder selbst schon als Gehäuse dient. Gleichzeitig sind Spule und Kern relativ zueinander fixiert, so dass keine Relativbewegungen zueinander auftreten können. Dadurch werden Signalstörungen vermieden, die sonst aufgrund des Mikrofonieeffektes auftreten könnten.
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Der erfindungsgemäße Sensor bildet somit eine kompakte Einheit, die aufgrund der Keramik-Stirnfläche und dem massiven Aufbau besonders in rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann. Die Stirnfläche bildet eine durchgängige, keramische Fläche ohne Unterbrechungen, die üblicherweise möglichste eben geformt ist. Der Kern könnte auch komplett in das keramische Sensorelement integriert werden, indem nämlich auch auf der Rückseite des Kernes eine keramische Abdeckung angebracht wird. Dadurch entsteht ein monolithischer keramischer Block, in dem die Spule und der Kern hermetisch völlig abgedichtet gegen Umwelteinflüsse geschützt sind.
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Besonders vorteilhaft ist durch die keramische Stirnfläche, dass auf zusätzliche Abdeckungen (Kunststoff- oder Keramikkappen, Edelstahlabdeckungen etc.) verzichtet werden kann. Dadurch sitzt die Spule sehr nahe an der Stirnfläche des Sensors, wodurch der Messbereich gegenüber herkömmlichen Sensoren erweitert wird.
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Für besondere Anwendungen kann die Keramik auch vor dem Sintern geformt werden, beispielweise gewölbt, so dass sie an besondere Oberflächenmerkmale des Messobjektes angepasst ist. Dies kann beispielsweise für die Vermessung von gewölbten oder runden Oberflächen wie Kugeln, Zylinder, Rohre eine konvexe oder konkave Form sein. Aufgrund der Oberflächenanpassung wird somit ein größerer Messbereich erzielt.
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Außerdem besteht der Sensor nur aus wenigen Bauteilen, die einfach und kostengünstig aufzubauen sind. Aufgrund der wenigen Bauteile steigt auch die Ausfallsicherheit des gesamten Sensors. Das Keramik-Sensorelement kann mit dem Gehäuse des Sensors mittels Kleben, Pressen, Vergießen oder Löten verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist das Aktivlöten, wodurch eine hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Keramikelement und dem Metallgehäuse erreicht werden kann.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Ansprüchen 1 und 17 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1a und 1b in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem der Kern in eine Ausnehmung des Folienkörpers eingesetzt wird/ist,
- 1c in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem der Spulenkörper mit dem Kern in den Kern eingesetzt und dort verklebt ist,
- 2 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem der Kern aus gesintertem Ferritpulver besteht, wobei die Sinterung in einer Sinterform bei eingesetztem Spulenkörper erfolgt,
- 3 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei der Kern aus mehreren Schichten einer Keramikfolie hergestellt ist,
- 4 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei der Kern fest mit einem metallischen Gehäuse verbunden ist,
- 5 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei der Kern auf einen zylinderförmigen Querschnitt im Zentrum des Spulenkörpers reduziert ist,
- 6 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei das Sensorelement, d.h. Spulenkörper nebst Kern, komplett gekapselt ist,
- 7 in einer schematischen Ansicht ein nicht zur Erfindung gehöriges Ausführungsbeispiel eines Sensors, wobei dort der Spulenkörper in einen als Topfkern ausgebildeten Kern eingesetzt ist und
- 8 in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei dort der Spulenkörper eine mittige Ausnehmung aufweist, in die der Kern als Zapfen eingesetzt ist.
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1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines induktiven Sensors. Die Spule besteht aus Leiterbahnen in einem Mehrschicht-Keramiksystem. Die Keramik ist so ausgestaltet, dass im rückwärtigen, d.h. von der Stirnseite abgewandten Teil des Sensorelements, eine Aussparung vorgesehen ist, die den Ferritkern aufnimmt. Die Aussparung ist an der Form der Spule orientiert. Diese kann entweder kreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Auch andere Formen sind denkbar, z.B. dreieckige Anordnungen. Um eine möglichst große Packungsdichte der Spule zu erzielen, sollten die Leiterbahnen eine geringe Breite und einen geringen Abstand voneinander besitzen.
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Um die Induktivität noch weiter zu erhöhen, wird der Ferritkern in die Aussparung eingebracht. Die Form der Spule und der Ferritkern sind aufeinander abgestimmt, so dass zwischen Ferrit und Keramik möglichst keine Luftspalte entstehen. Dies könnte z.B. ein herkömmlicher Ferrit aus gesintertem Ferritpulver sein, beispielsweise ein Schalenkern. Auch andere Standardformen für den Ferritkern sind denkbar wie z.B. P-Kerne, PM-Kern oder E-Kerne. Wichtig ist, dass die Mehrlagen-Keramik an die Form angepasst ist. Dabei ist zu beachten, dass die Keramik beim Sintern schrumpft, dies muss bei der Formfestlegung berücksichtigt werden.
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Eine andere Möglichkeit für das Kernmaterial sind Materialien besonders hoher Permeabilität, beispielsweise Mu-Metallfolien, die aufeinander gestapelt werden.
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Das Sensorelement und der Ferritkern können auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden, z.B. durch Kleben, Pressen, Vergießen etc. Um eine Abstimmung der Induktivität zu erreichen, könnte beim Anbringen des Kerns am Sensorelement die Induktivität der Spule gemessen werden und der Kern derart montiert werden (z.B. in der Tiefe einer Aussparung), dass die Induktivität der Spule einen gewünschten Wert erreicht. Alternativ könnte der Kern ein Einstellelement aus ferromagnetischem Material aufweisen, mit dem die Induktivität der Spule eingestellt wird.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors. Hier wird der Ferritkern erst beim Fertigungsprozess gebildet, indem beispielsweise Ferritpulver vor dem Sintern in die Aussparung des Sensorelementes eingefüllt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ferritpulver mit Glaspulver versetzt ist, so dass bei gemeinsamen Sintern ein fester Verbund zwischen der Mehrlagen-Keramik und dem Ferritmaterial entsteht. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, da dadurch keine Spalte zwischen Sensorelement und Kern entstehen, vielmehr ein kompakter Verbund entsteht.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei dort der Kern in Form von ferromagnetischen Folien ausgebildet ist. Derartige Folien sind ähnlich den Green-Tapes im „grünen“ Zustand noch flexibel und können in nahezu beliebigen Formen gestanzt werden. Es werden ringförmige Folienstapel gestanzt, deren Abmessung der Aussparung im Sensorelement entspricht. Diese ferritischen Folien werden zusammen mit der Mehrlagen-Keramik im selben Fertigungsschritt gemeinsam gesintert, wodurch ein kompaktes Element entsteht. Anstelle von ferritischen Folien könnten auch Mu-Metall-Folien verwendet werden.
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4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensors. Das Sensorelement ist als Teil des Gehäuses mit dem Metallgehäuse des Sensors fest verbunden. Das Metallgehäuse könnte beispielsweise aus einem ferromagnetischen Edelstahl bestehen. Damit dient das Gehäuse gleichzeitig als Kern zur Erhöhung der Induktivität und der Feldführung. Um unerwünschte Wirbelströme zu verringern, kann das Gehäuse an der Stelle, wo es den Kern bildet, mit radialen Schlitzen versehen sein. Da Wirbelströme kreisförmig um die Symmetrieachse der Spule fließen, werden diese durch radiale Unterbrechungen im Kernmaterial an der Ausbreitung gehindert. Dadurch sinkt die Vorbedämpfung der Spule, ohne dass die Induktivitätserhöhung wesentlich verringert wird.
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Das Sensorelement ist durch Aktivlöten fest mit dem Gehäuse verbunden und damit hermetisch dicht. Die Durchkontaktierung vom Sensorelement zur Elektronik erfolgt über Metallkontakte, die mit der Keramik des Sensorelementes verbunden sind. Diese ragen durch die Durchführung im Gehäuse hindurch und sind in der Durchführung abgedichtet (beispielsweise durch Vergießen oder Verglasen). Auf der anderen Seite der Durchführung wird an die Metallstifte die Anschlusslitze angelötet oder angeschweißt. Diese verbindet das Sensorelement mit der Elektronik, die ebenfalls im Gehäuse sitzt. Das Signal wird schließlich über einen Stecker ausgegeben. Denkbar ist aber auch ein integrierter Kabelanschluss.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, diesmal zur Verringerung der Wirbelströme. Der Kern ist reduziert auf einen zylinderförmigen Querschnitt im Zentrum des Sensorelements. Das Sensorelement bildet die Gehäusekappe des Sensors. Zusätzlich ist mittig im Kern ein Gewinde geschnitten, das eine vorzugsweise ferromagnetische Schraube aufnehmen kann. Damit kann die Induktivität der Spule sehr fein abgestimmt werden, indem die Schraube mehr oder weniger tief in den Kern eingedreht wird. Die Schraube kann auch eine bekannte Einstellschraube aus Ferritmaterial sein.
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6 zeigt ein völlig gekapseltes, hermetisch dichtes Sensorelement, wonach der Kern, beispielweise aus Kovar, in die Mehrlagen-Keramik mit eingebettet ist. Dadurch entsteht ein hermetisch dichter, monolithischer Block, in dem auch der Kern gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist.
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Gemäß dem nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsbeispiel aus 7 ist der Kern 4 einfachst ausgeführt, hat nämlich keinen Mittelzapfen. Vielmehr ist der Kern 4 als Topfkern ausgeführt, in dessen Ausnehmung die Sensorspule 1 bzw. der Spulenkörper 2 sitzt. Der Spulenkörper 2 umfasst eine Mehrlagen-Keramik mit zwischen den Keramiklagen „verbackenen“ Leiterbahnen. Der Spulenkörper 2 ist somit in Form eines Chips ohne Loch in der Mitte ausgeführt, wobei der Spulenkörper 2 in den Kern 4 eingelegt ist. Ebenso kann der Kern 4 den Spulenkörper 2 von der der Messseite abgewandten Seite her umfassen.
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Der Spulenkörper 2 kann mit dem Kern 4 verklebt, verpresst, verlötet oder sonst wie formschlüssig, teilweise auch kraftschlüssig, verbunden sein. Die Kontaktierung der Sensorspule 1 bzw. des Spulenkörpers 2 erfolgt beispielsweise über in der Fig. nicht gezeigte Anschlussstifte, die durch Aussparungen/Löcher im Kern nach hinten in den Raum für die Anschlüsse/Elektronik hineinragen. Der Einfachheit halber ist auf eine entsprechende Darstellung verzichtet.
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Die in 7 gezeigte nicht erfindungsgemäße Einheit bildet ein kompaktes - monolitisches - Gebilde, das in ein Sensorgehäuse 9 durch Kleben, Löten, Schrumpfen, etc. eingebaut bzw. angepasst sein kann. Eine stirnseitige Abdeckung 20 kann aus Keramik bestehen, die mit dem Spulenkörper 2 bereits bei der Herstellung fest verbunden wird. Alternativ kann die stirnseitige Abdeckung 20 als Metallabdeckung ausgeführt sein, die mit dem Gehäuse 9 fest verbunden ist, ebenfalls beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, etc. Ebenso kann die stirnseitige Abdeckung 20 bereits Bestandteil des Gehäuses 9 sein, wobei das Gehäuse von der Rückseite her ausgefräst sein kann, so dass eine nahezu beliebig dünne Abdeckung 20 messseitig stehen bleibt. Ebenso ist es denkbar, dass die Abdeckung 20 dem Spulenkörper 2 fest zugeordnet ist.
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In Bezug auf das in 7 gezeigte nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel sei weiter angemerkt, dass das Weglassen des in den 1 bis 6 gezeigten Mittelzapfens des Kerns einen allenfalls geringen negativen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Sensors hat. Jedoch ist von ganz besonderer Bedeutung, dass das Weglassen des Zapfens gemäß der Ausführungsform in 7 die Herstellung gerade bei sehr kleinen Sensoren ganz erheblich erleichtet, nämlich bei Sensoren, die im Rahmen einer stets zunehmenden Miniaturisierung einen sehr geringen Außendurchmesser aufweisen, beispielsweise einen Außendurchmesser von weniger als 15 mm, möglichst von weniger als 12 mm. Der dort verwendete Spulenkörper 2 hat daher nur noch einen Durchmesser von ca. 5 bis 6 mm, wodurch sich die in 7 gezeigte Ausführungsform ganz besonders eignet. Diese besondere Eignung ergibt sich auch dadurch, dass es im Rahmen einer solchen Ausführungsform nicht erforderlich ist, den Spulenkörper mit einem mittigen Durchgang auszustatten, dessen Anfertigung bei zunehmender Miniaturisierung äußerst schwierig ist. Vielmehr kann hier ein Spulenkörper in monolithischer Chip-Form, ohne jedweden Durchgang, verwendet werden.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei dort der Spulenkörper 2 eine mittige Ausnehmung 21 aufweist, in die der Kern 4 in Form eines Zapfens fest eingesetzt ist, und zwar von der der Messseite abgewandten Seite her. Bei diesem Ausführungsbeispiel sitzt der Kern 4 im Wesentlichen innerhalb des Spulenkörpers 2.
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Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors lassen sich abschließend wie folgt zusammenfassen:
- - Das Sensorelement ist eine kompakte Einheit mit durchgängiger, vorzugsweise ebener keramischer Oberfläche, temperaturfest, druck- und vakuumfest, schock- und vibrationsfest und robust gegen Verschmutzung oder aggressive Medien.
- - Die Stirnseite des Sensorelements bildet gleichzeitig das Gehäuse bzw. den Gehäusedeckel.
- - Einfache Fertigung ist aufgrund der Reduzierung der Bauteile möglich.
- - Es lässt sich eine verminderte Einbautiefe der Spule realisieren. Der Kern wandert weiter nach vorne.
- - Es findet keine Relativbewegung zwischen Kern (Sensorgehäuse) und Spule statt, wenn die Teile fest miteinander verbunden bzw. fest versintert sind.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 3:
- Aussparungen für Kern
- 4:
- Kern
1b:
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- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 4:
- Kern
- 1c:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 4:
- Kern
- 5:
- Verklebung des Kerns mit dem Sensorelement
- 2:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 6:
- Ferritpulver
- 7:
- Sinterform zur Aufnahme des Ferritpulvers
- 3:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 8:
- Keramikfolien oder Mu-Metall-Folien
- 4:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche, Sensorspule
- 2:
- Spulensystem/Spulenkörper
- 9:
- Gehäuse aus Metall
- 10:
- Radiale Schlitze (nicht eingezeichnet)
- 11:
- Aktivlötverbindung Sensorelement - Gehäuse
- 12:
- Kontaktstift
- 13:
- Durchführung im Gehäuse für Kontaktstift
- 14:
- Anschlusslitze
- 15:
- Elektronik
- 16
- Stecker
- 5:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 4:
- Kern
- 17:
- Einstellschraube
- 6:
- 1:
- Sensorelement mit Keramik-Stirnfläche
- 2:
- Spulensystem
- 4:
- Kern
- 18:
- Keramikfolie auf Rückseite des Sensorelements
- 19:
- Keramikfolie seitlich am Sensorelement
- 7:
- 1:
- Sensorelement
- 2:
- Spulenkörper
- 4:
- Kern
- 9:
- Sensorgehäuse, Gehäuse
- 20:
- stirnseitige Abdeckung
- 8:
- 1:
- Sensorelement
- 2:
- Spulenkörper
- 4:
- Kern
- 21:
- mittige Ausnehmung