DE29713818U1 - Sensor head for a magnetic field encoder - Google Patents
Sensor head for a magnetic field encoderInfo
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Description
01.08.1997 IN43LE/P dö Akte: 5240301.08.1997 IN43LE/P dö File: 52403
Die Neuerung betrifft einen Sensorkopf mit einem axial magnetisierten, hülsenförmigen Permanentmagneten, welchem ein auf einer Leiterplatte befestigter Hallgenerator zugeordnet ist, derart, daß sich der Hallgenerator an der Stirnseite der in das Gehäuse des Magnetfeldgebers einsetzbaren Leiterplatte befindet und die Achse des Permanentmagneten mit der Induktionsachse des Hallgenerators im wesentlichen zusammenfällt sowie mit Mitteln, welche eine justierbare Halterung des Permanentmagneten auf der Leiterplatte gestatten.The innovation relates to a sensor head with an axially magnetized, sleeve-shaped permanent magnet, to which a Hall generator attached to a circuit board is assigned, such that the Hall generator is located on the front side of the circuit board that can be inserted into the housing of the magnetic field sensor and the axis of the permanent magnet essentially coincides with the induction axis of the Hall generator, as well as with means that allow an adjustable mounting of the permanent magnet on the circuit board.
Das Prinzip eines derartigen Gebers bei dem der Hallgenerator in dem durch Feldverdrängung innerhalb des hülsenförmigen Permanentmagneten gegebenen Raum minimaler magnetischer Induktion angeordnet ist, beschreibt die DE 36 38 622. Im Gegensatz zu Induktionsgebern hat ein solcher Geber den Vorzug relativ niedrige Drehzahlen bzw. Bewegungen im Stillstandsbereich erfassen zu können. Besonders vorteilhaft ist die in dem oben genannten Patent beschriebene Bauform insofern, als sie ein hohes Nutz-/Störsignal-Verhältnis liefert. Andererseits stellt der Nullpunktabgleich bei einem derartigen Geber eine extrem empfindliche Lagejustierung zwischen dem Hallgenerator und dem Permanentmagneten dar. Zweckmäßigerweise ist der Hallgenerator unmittelbar der Stirnseite einer die elektronischen Bauelemente des Gebers tragenden Leiterplatte zugeordnet das heißt, daß an der Leiterplatte ein fingerförmiger Abschnitt derart ausgebildet ist, daß er in die Öffnung des Permanentmagneten einführbar ist. Erhebliche Formabweichungen des vorzugsweise gesinterten Permanentmagneten und relativ grobe Toleranzen, die bei der Herstellung der Leiterplatte in Kauf zuThe principle of such a sensor, in which the Hall generator is arranged in the space of minimal magnetic induction created by field displacement within the sleeve-shaped permanent magnet, is described in DE 36 38 622. In contrast to induction sensors, such a sensor has the advantage of being able to detect relatively low speeds or movements in the standstill range. The design described in the above-mentioned patent is particularly advantageous in that it provides a high useful/noise signal ratio. On the other hand, the zero point adjustment in such a sensor represents an extremely sensitive position adjustment between the Hall generator and the permanent magnet. The Hall generator is expediently assigned directly to the front side of a circuit board carrying the electronic components of the sensor, i.e. a finger-shaped section is designed on the circuit board in such a way that it can be inserted into the opening of the permanent magnet. Considerable shape deviations of the preferably sintered permanent magnet and relatively large tolerances that have to be accepted during the manufacture of the circuit board
nehmen sind, verursachen jedoch in der Serienfertigung einen unangemessen hohen Aufwand im Hinblick auf die Justierung und die Lagefixierung für die letztlich erforderliche feste Verbindung des Permanentmagneten mit dem fingerförmigen Abschnitt der Leiterplatte.However, in series production they cause an unreasonably high level of effort with regard to the adjustment and position fixation for the ultimately required firm connection of the permanent magnet with the finger-shaped section of the circuit board.
Mit der DE 41 40 403 wird eine Lösung des Problems aufgezeigt, bei der ein zusätzliches Bauteil, nämlich ein auf dem fingerförmigen Abschnitt der Leiterplatte verschiebbares Klemmstück, Anwendung findet. Das Klemmstück dient dem Permanentmagneten als Träger und wird, wenn die magnetische Justierung zwischen dem Hallgenerator und dem Permanentmagneten erfolgt ist, mit der Leiterplatte verklebt. Das Klemmstück muß jedoch, was wenig fertigungsgerecht ist, vor dem Verlöten der Kontaktstifte des Hallgenerators mit den zugehörigen Leiterbahnen auf die Leiterplatte aufgesteckt werden. Zusätzlich ist wegen der nachfolgenden weiteren Handhabung und der Tatsache, daß der Hallgenerator beim Löten nicht ohne Spalt zur Stirnseite der Leiterplatte an dieser angebracht werden kann, auch der Hallgenerator mit der Leiterplatte zu verkleben. Der Klebeprozeß, beispielsweise mit einem UV-Kleber, erfordert nicht unerhebliche Reinigungsvorgänge und bedingt Aushärtezeiten, die abgesehen von dieser Sicherungsmethode grundsätzlich anhaftenden Unsicherheiten erhebliche Unterbrechungen im Fertigungsfluß zur Folge haben.DE 41 40 403 shows a solution to the problem in which an additional component is used, namely a clamping piece that can be moved on the finger-shaped section of the circuit board. The clamping piece serves as a carrier for the permanent magnet and is glued to the circuit board once the magnetic adjustment between the Hall generator and the permanent magnet has been made. However, the clamping piece must be plugged onto the circuit board before the contact pins of the Hall generator are soldered to the associated conductor tracks, which is not very suitable for production. In addition, the Hall generator must also be glued to the circuit board because of the subsequent handling and the fact that the Hall generator cannot be attached to the circuit board without a gap to the front side of the circuit board during soldering. The bonding process, for example with a UV adhesive, requires considerable cleaning processes and curing times, which, apart from the inherent uncertainties of this securing method, result in considerable interruptions in the production flow.
Aufgabe der vorliegenden Neuerung war es somit, die Herstellung eines Magnetfeldgebers der geschilderten Bauform zu verbessern, indem der Bauteilebedarf und die Montagearbeitsgänge verringert werden und die Montagezeit verkürzt wird.The aim of this innovation was therefore to improve the production of a magnetic field sensor of the design described by reducing the number of components and the assembly steps and shortening the assembly time.
Die Lösung der Aufgabe sieht vor, daß an der Leiterplatte ein Dorn gießtechnisch angeformt ist, wobei der Durchmesser des Doms größer ist als das Größtmaß des Innendurchmessers des Permanentmagneten und daß fürThe solution to the problem provides that a mandrel is cast onto the circuit board, whereby the diameter of the mandrel is larger than the maximum internal diameter of the permanent magnet and that
die Bildung des Doms ein in Niederdruck-Vergußtechnik verarbeitbares Kunststoffmateriai vorgesehen ist.The dome is to be formed using a plastic material that can be processed using low-pressure casting technology.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the innovation emerge from the subclaims.
Die Neuerung bietet den Vorteil, daß ein Verkleben des Hallgenerators und des Permanentmagneten nach dem Justieren des Magnetsytems nicht mehr erforderlich ist, da einerseits der Hallgenerator bereits bei der Bildung des Dorns im Kunststoff eingebettet werden kann, andererseits der Preßsitz zwischen Dorn und Permanentmagnet einen ausreichend festen Sitz und eine ausreichende Sicherung der vorgenommenen Justierung bis zur Einbettung des Sensorkopfes im Gehäuse des Gebers bietet. Dieses Einbetten kann aufgrund der Neuerung unmittelbar nach dem Justieren erfolgen, das heißt, der justierte Sensorkopf wird mit dem Steckersockel verbunden und der so gebildete Einschub in ein bereitgestelltes, mit Vergußmase gefülltes Gehäuse eingeführt. Danach werden Gehäuse und Steckersockel miteinander verbördelt und der Magnetfeldgeber durch Aushärten der Vergußmase fertiggestellt. Es entfallen insbesondere die durch den Zwischenschritt des Klebens des justierten Sensorkopfes bisher erforderlichen Reinigungsvorgänge und die beim Aushärten des Klebers in Kauf zu nehmenden Wartezeiten. Die Neuerung ermöglicht daher eine fließende und somit automatisierbare Montage des Magnetfeldgebers. Die Herstellung und die Handhabung eines komplizierten Bauteils, nämlich des Klemmstücks ist vermieden. Die Ausbildung von Verformungsrippen erleichtert die Materialverdrängung beim Aufpressen des Permanentmagneten auf den Dorn, was sich letztlich auch auf die erforderliche feinfühlige Justierung vorteilhaft auswirkt. Dabei kann, da der Innendurchmesser des gesinterten Permanentmagneten relativ stark schwankt, die Materialverdrängung erheblich sein. Hervorzuheben ist ferner die Tatsache, daß der Dorn an der fertig bestückten Leiterplatte nachträglich und unmittelbar angeformt werden kann. Dies wirdThe innovation offers the advantage that gluing the Hall generator and the permanent magnet after adjusting the magnet system is no longer necessary, since on the one hand the Hall generator can be embedded in the plastic when the mandrel is formed, and on the other hand the press fit between the mandrel and the permanent magnet provides a sufficiently firm fit and adequate security for the adjustment made until the sensor head is embedded in the housing of the sensor. This embedding can take place immediately after adjustment thanks to the innovation, i.e. the adjusted sensor head is connected to the plug base and the insert thus formed is inserted into a housing that has been provided and filled with casting compound. The housing and plug base are then flanged together and the magnetic field sensor is completed by hardening the casting compound. In particular, the cleaning processes previously required due to the intermediate step of gluing the adjusted sensor head and the waiting times that had to be accepted while the adhesive hardens are no longer necessary. The innovation therefore enables a smooth and thus automated assembly of the magnetic field sensor. The manufacture and handling of a complicated component, namely the clamping piece, is avoided. The formation of deformation ribs facilitates the displacement of material when pressing the permanent magnet onto the mandrel, which ultimately also has a beneficial effect on the required sensitive adjustment. Since the inner diameter of the sintered permanent magnet varies relatively strongly, the displacement of material can be considerable. Another important point is the fact that the mandrel can be subsequently and directly molded onto the fully assembled circuit board. This is
ermöglicht durch die Anwendung der Schmeizklebstoff-Vergießtechnik, bei der eine Zerstörung der auf der Leiterplatte befindlichen Bauteile aufgrund der niedrigen Gießdrücke vermieden ist. Außerdem bieten die in dieser Vergießtechnik verarbeitbaren beispielsweise thermoplastischen Werkstoffe, vorzugsweise auf Polyamidbasis, gute Hafteigenschaften und eine hohe Warmfestigkeit, was sie für eine bevorzugte Anwendung des Magnetfeldgebers, das heißt für einen Einsatz im Kraftfahrzeug, geeignet sein läßt.made possible by the use of the hot melt adhesive casting technique, in which the destruction of the components on the circuit board is avoided due to the low casting pressures. In addition, the thermoplastic materials that can be processed using this casting technique, for example, preferably polyamide-based, offer good adhesive properties and high heat resistance, which makes them suitable for a preferred application of the magnetic field sensor, i.e. for use in motor vehicles.
Im folgenden sei die Neuerung anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The innovation is explained in more detail below using drawings of an example. They show:
Figur 1 eine Seitenansicht einer mit den elektronischen Bauelementen einesFigure 1 is a side view of a device equipped with the electronic components of a
Magnetfeldgebers fertig bestückten Leiterplatte, Figur 2 eine Draufsicht des sensorkopfseitigen Abschnitts der Leiterplatte mit einem angeformten Dorn,Magnetic field sensor fully assembled circuit board, Figure 2 a top view of the sensor head side section of the circuit board with a molded mandrel,
Figur 3 eine Frontansicht des Doms gemäß Figur 2, Figur 4 ein aus der Leiterplatte, einem Permanentmagneten und einem Steckersockel gebildeter Einschub mit einer Darstellung desFigure 3 is a front view of the dome according to Figure 2, Figure 4 is a slot formed from the circuit board, a permanent magnet and a plug socket with a representation of the
Sensorkopfes im justierten Zustand,
Figur 5 einen Schnitt eines in einer Montagevorrichtung aufgenommen undSensor head in adjusted state,
Figure 5 shows a section of a device taken in an assembly device and
mit Vergußmasse gefüllten Gebergehäuses, Figur 6 eine Ansicht eines einbaufertig montierten Magnetfeldgebers.Figure 6 shows a view of a magnetic field sensor ready for installation.
Die Figur 1 zeigt den Zustand einer Leiterplatte 1 nach einem ersten Montagezyklus. Das heißt, die Leiterplatte 1 ist mit Gruppen von elektronischen Bauelementen 2 und 3 und mit einem Hallgenerator 4, welcher stirnseitig an einem fingerförmigen Abschnitt 5 der Leiterplatte 1 angeordnet ist, fertig bestückt. Die so vorbereitete Leiterplatte 1 wird in einem weiteren Montageschritt in eine Gießform eingelegt. Nachfolgend wird auf dem fingerförmigen Abschnitt 5 ein Dorn 6 gießtechnisch angeformt. Dabei wird auch der Hallgenerator 4 in Kunststoff eingebettet, und zwar vorzugsweiseFigure 1 shows the state of a circuit board 1 after a first assembly cycle. This means that the circuit board 1 is fully equipped with groups of electronic components 2 and 3 and with a Hall generator 4, which is arranged on the front side of a finger-shaped section 5 of the circuit board 1. The circuit board 1 prepared in this way is placed in a mold in a further assembly step. A mandrel 6 is then molded onto the finger-shaped section 5. The Hall generator 4 is also embedded in plastic, preferably
so, daß er stirnseitig freiliegt, um beim fertig montierten Magnetfeldgeber 29 (Figur 6) zwischen dem Hallgenerator 4 und der Stirnwand des Magnetfeldgebers 29 bzw. der Kappe 31 einen möglichst geringen Abstand zu haben. Der Dorn 6 ist mit Verformungsrippen 7, 8, 9 und 10 sowie mit Zentriereiementen 11, 12, 13 und 14 versehen, wobei letztere der Zentrierung des Sensorkopfes 15 in einem Gehäuse 16 des Magnetfeldgebers 29 dienen.so that it is exposed at the front in order to have the smallest possible distance between the Hall generator 4 and the front wall of the magnetic field sensor 29 or the cap 31 when the magnetic field sensor 29 is fully assembled (Figure 6). The mandrel 6 is provided with deformation ribs 7, 8, 9 and 10 as well as with centering elements 11, 12, 13 and 14, the latter serving to center the sensor head 15 in a housing 16 of the magnetic field sensor 29.
Nach der Entnahme der Leiterplatte 1 aus der Gießform wird in einem weiteren Arbeitsgang die Leiterplatte 1 mit einem Steckersockel 17, in welchem eine geeignete Fassung 18 ausgebildet ist, zusammengefügt. Der zusätzlichen Halterung der Leiterplatte 1 dienen nach innen weisende, federnd ausgebildete Enden von in dem Steckersockel 17 eingebetteten Rundkontakten, von denen zwei in Figur 4 mit 19 und 20 bezeichnet sind. Gleichzeitig dienen die federnden Enden der Rundkontakte der Kontaktierung mit Leiterbahnen der Leiterplatte 1, wobei die Kontaktverbindungen zusätzlich noch durch Löten gebildet werden. Danach erfolgt das Aufpressen eines Permanentmagneten 21 auf den Dorn 6. Der derart vorbereitete Einschub wird nachfolgend in einer Justiervorrichtung in ein einbauäquivalentes, stirnseitig offenes Gebergehäuse eingeführt und der Sensorkopf 15 durch weiteres Aufschieben des Permanentmagneten 21 auf den Dorn 6 - vorzugsweise durch einen Schrittmotor gesteuert - elektromagnetisch abgeglichen.After removing the circuit board 1 from the mold, in a further step the circuit board 1 is joined to a plug base 17, in which a suitable socket 18 is formed. The additional holder for the circuit board 1 is provided by inward-facing, spring-loaded ends of round contacts embedded in the plug base 17, two of which are designated 19 and 20 in Figure 4. At the same time, the spring-loaded ends of the round contacts are used to make contact with conductor tracks on the circuit board 1, with the contact connections additionally being formed by soldering. A permanent magnet 21 is then pressed onto the mandrel 6. The insert prepared in this way is then inserted into an adjustment device in an equivalent sensor housing that is open at the front, and the sensor head 15 is electromagnetically adjusted by further pushing the permanent magnet 21 onto the mandrel 6 - preferably controlled by a stepper motor.
Bei der weiteren Montage des Magnetfeldgebers 29 wird der justierte Einschub, wie ihn die Figur 4 zeigt, der Justiervorrichtung entnommen und in ein in einer geeigneten Aufnahme 22 einer Montagevorrichtung bereitstehendes, mit Gießharz 23 teilweise gefülltes Gehäuse 16 eingesetzt. An dem Gehäuse 1 6 ist, wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, ein Bördelrand 24 ausgebildet, mittels dessen der Steckersockel 17 bzw. der Einschub mit dem Gehäuse 16 fest verbunden wird. Ein mit 25 bezeichneter, auf den Steckersockel 17 aufgezogener O-Ring dient dabei der Abdichtung des SitzesDuring further assembly of the magnetic field sensor 29, the adjusted insert, as shown in Figure 4, is removed from the adjustment device and inserted into a housing 16 partially filled with cast resin 23, which is available in a suitable receptacle 22 of an assembly device. As can be seen from Figure 5, a flanged edge 24 is formed on the housing 16, by means of which the plug base 17 or the insert is firmly connected to the housing 16. An O-ring marked 25, which is pulled onto the plug base 17, serves to seal the seat.
26 zwischen Steckersockel 17 und Gehäuse 16. Das in an sich bekannter Weise zweistufig ausgebildete Gehäuse 16 weist mit einem Gewinde 27 sowie einem Sechskant 28 Mittel auf, die der Befestigung des Magnetfeldgebers 29 beispielsweise an der Wand eines Getriebegehäuses eines Kraftfahrzeuges dienen, und zwar unter Zwischenlage einer unverlierbar angebrachten in Figur 6 dargestellten Ringscheibe 30. Ferner ist das Gehäuse 16 mit einer nichtmagnetischen Kappe 31 versehen, die vor dem Einfüllen der Vergußmasse 23 durch Einrollen des Gehäuserandes mit dem Gehuse 16 verbunden wird.26 between plug socket 17 and housing 16. The housing 16, which is designed in two stages in a manner known per se, has a thread 27 and a hexagon 28, which serve to attach the magnetic field sensor 29, for example, to the wall of a gearbox housing of a motor vehicle, with the interposition of a captively attached ring disk 30 shown in Figure 6. Furthermore, the housing 16 is provided with a non-magnetic cap 31, which is connected to the housing 16 by rolling up the housing edge before the potting compound 23 is filled in.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß, wie aus der Figur 6 hervorgeht, an dem Steckersockel 17 Renkverbindungsmittel 32 angeformt sind, die der Befestigung einer nicht dargestellten Überwurfmutter dienen. Mit 33 ist eine von mehreren nach dem Anbördeln des Steckersockels 17 angebrachte Kerbe bezeichnet, die als Verdrehsicherung dient. Nach der Montage des Magnetfeldgebers 29 wird dieser einer Wärmebehandlung unterzogen bei der das Gießharz 23 zu einer kautschukähnlichen Vergußmasse aushärtet.For the sake of completeness, it should also be mentioned that, as can be seen from Figure 6, bayonet joints 32 are formed on the plug base 17, which serve to attach a union nut (not shown). 33 designates one of several notches made after the plug base 17 has been flanged, which serves to prevent rotation. After the magnetic field sensor 29 has been installed, it is subjected to a heat treatment in which the casting resin 23 hardens to form a rubber-like casting compound.
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