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1. WO2020104656 - MAGNETISCHES POSITIONSSENSORSYSTEM UND SENSORMODUL

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Magnetisches Positionssensorsystem und Sensormodul

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Positionssensorsystem und ein

Sensormodul mit einem derartigen Positionssensorsystem.

Positions- oder Abstandssensoren werden zum Beispiel eingesetzt, um

Gangstellerbewegungen in Kraftfahrzeuggetrieben berührungslos zu überwachen. Ein magnetischer Positionssensor ist beispielsweise aus der DE 10 2006 061 771 A1 und der EB 2 149 784 B1 bekannt.

Eine mögliche Ausführung eines solchen Sensorsystems ist der sogenannte Permanentmagnetic Linear Contactless Displacement Sensor, kurz PLCD-Sensor. Bei einem konventionellen PLCD-Sensorsystem wird insbesondere für das

Erfassen der Position zum Beispiel eines Magneten, ein von Spulen umwickelter weichmagnetischer Kern auf einer Leiterplatte aufgebracht.

Für die Auswertung des Sensorsystems ist insbesondere noch eine entsprechende integrierte Schaltung mit zusätzlicher Außenbeschaltung erforderlich.

Dafür ist in der Regel ein relativ großer Einbauraum notwendig. Die entsprechende Aufbautechnik ist aufwändig und kostenintensiv. Zudem sind meist extra

Schutzmaßnahmen wie ein Verguss oder eine extra Beschichtung des Systems gegen Umwelteinflüsse notwendig.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein magnetisches

Positionssensorsystem anzugeben, das kompakt, zuverlässig und einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Sensorsystem mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Das magnetische Positionssensorsystem umfasst,

- eine Mehrlagenleiterplatte

- wobei eine Lage der Mehrlagenleiterplatte eine Isolatorschicht,

insbesondere eine sogenannte Prepregschicht und mindestens eine Kupferschicht umfasst,

- eine Kupferschicht mindestens eine erste Leiterbahn und / oder eine zweite Leiterbahn umfasst,

- erste Durchkontaktierungen, zweite Durchkontaktierungen und einen

Leiterplattenkern, und

- einen Sensor mit einem weichmagnetischen Kern, einer Erregungsspule mit wenigstens einer Erregungswicklung und einer Sensorspule mit wenigstens einer Sensorwicklung.

Leiterplatten bestehen herkömmlich aus einer oder mehreren Substratlagen aus glasfaserverstärktem, ausgehärteten Epoxidharz, die zur Ausbildung von elektrisch leitenden Strukturen, insbesondere Leiterbahnen ein- oder beidseitig

kupferkaschiert sind. Insbesondere bei mehrlagigen Leiterplatten werden eine oder mehrere dieser Substratlagen mittels Prepregs und teilweise auch zusätzlich mit Kupferfolien verpresst. Die Substratlagen und Prepregs bilden elektrisch

isolierende Substratlagen der mehrlagigen Leiterplatte.

Die isolierten Leiterbahnen zwischen elektrisch isolierenden Substratlagen werden durch metallisierte Durchkontaktierungen in der Mehrlagenleiterplatte elektrisch miteinander verbunden.

Erfindungsgemäß ist der weichmagnetische Kern im Leiterplatten kern der

Mehrlagenleiterplatte angeordnet, und von einer Erregungsspule und einer Sensorspule umgeben ist, wobei eine Erregungswicklung der Erregungsspule je zwei erste Durchkontaktierungen, wenigstens abschnittsweise, und zwei erste Leiterbahnen umfasst, und wobei eine Sensorwicklung der Sensorspule je zwei zweite Durchkontaktierungen, zumindest Abschnitte davon, und zwei zweite Leiterbahnen umfasst.

Dabei wird vorteilhafterweise der weichmagnetische Kern direkt in die Leiterplatte eingebettet. Eine Spulenwicklung der Erregungsspule bzw. der Sensorspule um den Kern, wird dabei jeweils durch eine erste bzw. zweite Leiterbahn auf einer Kupferschicht, welche wiederum mit Hilfe von entsprechenden Abschnitten der ersten bzw. zweiten Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind, realisiert.

Das führt zu einer Reduzierung der sonst üblicherweise benötigten Bauraumhöhe. Das System ist durch dieses Aufbaukonzept resistenter gegen schädliche

Umwelteinflüsse und durch die Minimierung der Produktionsprozesse werden die Herstellungskosten reduziert.

Bei einer Ausführungsform des Positionssensorsystem sind die Erregungsspule und die Sensorspule auf unterschiedlichen Lagen der Mehrlagenleiterplatte angeordnet.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Positionssensorsystems sind die

Erregungsspule und die Sensorspule auf derselben Lage der Mehrlagen

leiterplatte angeordnet, wodurch die Anzahl der Lagen und damit die Bauhöhe des Positionssensorsystems je nach Anwendungsfall besonders klein gehalten werden kann.

Bei einer Weiterbildung des Positionssensorsystems umfasst eine

Erregungswicklung je zwei erste Durchkontaktierungen und zwei erste

Leiterbahnen auf der äußeren Kupferschicht, und eine Sensorwicklung umfasst je zwei zweite Durchkontaktierungen und zwei zweite Leiterbahnen auf der äußeren Kupferschicht.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Positionssensorsystems sind die jeweiligen Längen der Mehrlagenleiterplatte, der Erregungsspule, der Sensorspule und des Kerns äußere und innere Abschnitte unterteilt.

Die Längen können innerhalb des Maximalwertes der Mehrlagenleiterplatte unterschiedliche Werte annehmen, das heißt insbesondere, dass sich die jeweiligen Längen der Erregungsspule und der Sensorspule unterscheiden können.

Bei Weiterbildungen des Positionssensorsystems können die Wicklungen der Erregungsspule und/ oder der Sensorspule gleichmäßig über die entsprechende Länge verteilt sein, wobei der Abstand der einzelnen Wicklungen insbesondere gleich ist. In manchen Fällen kann der Abstand der einzelnen Wicklungen über die entsprechende Länge auch variieren.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Positionssensorsystems können die Wicklungen der Erregungsspule und/ oder der Sensorspule nicht gleichmäßig über die entsprechende Länge verteilt sein. Dabei können die Wicklungen der

Erregungsspule und/ oder der Sensorspule vorwiegend an einem äußeren

Abschnitt oder beiden äußeren Abschnitten angeordnet sein, wobei dann die äußeren Abschnitte kernseitig beispielsweise mit einem geraden Leiterstück miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Es wäre auch denkbar, dass die Wicklungen der Erregungsspule und/ oder der Sensorspule vorwiegend im inneren Abschnitt, insbesondere im Bereich des weichmagnetischen Kerns, angeordnet sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Positionssensorsystems schließt die Erregungsspule die Sensorspule abschnittsweise oder ganz ein, oder umgekehrt.

Insbesondere können je nach Anwendungsfall Erregungswicklungen einer Erregungsspule beziehungsweise Sensorwicklungen einer Sensorspule aus Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, beziehungsweise entsprechenden Abschnitten der Durchkontaktierungen insbesondere in Bezug auf die Lagen der Mehrlagenleiterplatte und/ oder in Bezug auf die Durchkontaktierungen

symmetrisch oder asymmetrisch zum weichmagnetischen Kern angeordnet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Positionssensorsystems ist der weichmagnetische Kern, insbesondere wie das gesamte Positionssensorsystem, streifenförmig ausgebildet, wobei insbesondere die Position eines, sich in einer Achse parallel zur Mehrlagenleiterplatte bewegenden Magnetes detektiert werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensormodul anzugeben, das kompakt, zuverlässig und einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Sensormodul mit den im Anspruch 15 genannten Merkmalen gelöst.

Das Sensormodul umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes

Positionssensorsystem und zumindest Teile einer Auswerteelektronik, wobei die Auswerteelektronik zumindest teilweise in der Mehrlagenleiterplatte angeordnet sein kann, was eine besonders kompakte und gesicherte Ausführungsform eines Sensormoduls darstellt.

Alternativ kann die Auswerteelektronik oder Teile davon, je nach Anforderung auch auf irgendeiner Außenfläche der Mehrlagenleiterplatte angeordnet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Auswerteelektronik zumindest teilweise außerhalb der Mehrlagenleiterplatte angeordnet sein.

In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Positionssensorsystems im Schnitt,

Fig. 2 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines

Positionssensorsystems gemäß Fig. 1 , und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Sensormoduls mit einem

Positionssensorsystem gemäß Fig. 1 .

Fig. 4 eine schematische Darstellung wie Fig. 1 mit zusätzlichen Lagen,

Fig. 5 bis 7 unterschiedliche schematische Darstellungen gemäß Fig. 4 im

Längsschnitt

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines magnetischen Positionssensor systems 1 im Schnitt, wobei hier der Querschnitt rechteckig ist. Das magnetische Positionssensorsystem 1 umfasst eine Mehrlagenleiterplatte 2 mit je einer äußeren Kupferschicht 3 auf der Oberseite und der Unterseite der Mehrlagenleiterplatte 2 mit jeweils ersten äußeren Leiterbahnen 3a und zweiten äußeren Leiterbahnen 3b auf der entsprechenden äußeren Kupferschicht 3 an der Oberseite bzw. der Unterseite der Mehrlagenleiterplatte 2 . Weiterhin umfasst die Mehrlagenleiterplatte 2 in diesem Beispiel zwei Prepregschichten 5 als Isolatorschicht und zwei innere Kupferschichten 4, die einen Leiterplatten kern 6 einschließen. Dabei umfasst eine Kupferschicht 4 insbesondere jeweils erste innere Leiterbahnen 4a und zweite innere Leiterbahnen 4b.

Die Kupferschichten 3, 4, die äußeren Leiterbahnen 3a, 3b und die inneren Leiterbahnen 4a, 4b werden insbesondere durch erste und zweite

Durchkontaktierungen 7, 8, oder durch entsprechende Abschnitte davon, miteinander elektrisch verbunden.

Weiterhin umfasst das magnetische Positionssensorsystem 1 einen Sensor mit einem weichmagnetischen Kern 1 1 , der gänzlich im Leiterplattenkern 6 der

Mehrlagenleiterplatte 2 angeordnet ist. Der Kern 1 1 ist von einer Erregungsspule mit mindestens einer Erregungswicklung und einer Sensorspule mit mindestens einer Sensorwicklung im Wesentlichen konzentrisch umgeben.

Eine Erregungswicklung umfasst in Fig. 1 eine erste äußere Leiterbahn 3a auf der äußeren Kupferschicht 3 der Oberseite und eine erste äußere Leiterbahn 3a auf der äußeren Kupferschicht 3 der Unterseite der Mehrlagenleiterplatte 2. Diese

Leiterbahnen 3a werden je mit zwei ersten Durchkontaktierungen 7 zur Ausbildung der Erregungswicklung 3a, 7, 3a, 7 elektrisch miteinander verbunden. Diese Erregungswicklung 3a, 7, 3a, 7 ist in Fig. 1 dem Kern 1 1 am nächsten.

Eine Sensorwicklung umfasst eine zweite äußere Leiterbahn 3b auf der äußeren Kupferschicht 3 der Oberseite und eine zweite äußere Leiterbahn 3b auf der äußeren Kupferschicht 3 der Unterseite der Mehrlagenleiterplatte 2. Diese zweiten äußeren Leiterbahnen 3b werden je mit zwei zweiten Durchkontaktierungen 8 zur Ausbildung der Sensorwicklung 3b, 8, 3b, 8 elektrisch miteinander verbunden. Diese Sensorwicklung 3b, 8, 3b, 8 in Fig. 1 umschließt die Erregerwicklung mit dem Kern 1 1 .

Alternativ kann die Erregerwicklung auch die Sensorwicklung einschließen.

Fig. 2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines

Positionssensorsystems 1 gemäß Fig. 1 . Die Mehrlagenleiterplatte 2 und der darin eingebettete Kern 1 1 sind streifenförmig ausgebildet. Gezeigt wird ein

Positionssensorsystems 1 mit je drei Erregungswicklungen 3a, 7, 3a, 7 und drei Sensorwicklungen 3b, 8, 3b, 8, wobei nur die äußeren Leiterbahnen 3a, 3b auf der äußeren Kupferschicht 3 der Oberseite der Mehrlagenleiterplatte 2 dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensormoduls. Das Sensormodul umfasst ein Positionssensorsystem 1 gemäß Fig. 1 und eine insbesondere im Leiterplatten kern 6 der Mehrlagenleiterplatte 2 angeordnete entsprechende

Auswerteelektronik 12, oder einem Teil davon, zur Verarbeitung der Signale aus dem Positionssensorsystem 1 . Die Auswerteelektronik 12 kann auch auf oder außerhalb der Mehrlagenleiterplatte 2 angeordnet sein.

Ebenso kann das Sensormodul mehr als einen Sensor und / oder mehr als eine Auswerteelektronik 12 umfassen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Positionssensorsystems 1 wie Fig. 1 nur mit zwei zusätzlichen Lagen, umfassend je eine weitere innere Kupferschicht 4‘ und eine weitere Isolatorschicht 5. Dabei umfasst eine innere Kupferschicht 4‘ insbesondere jeweils erste innere Leiterbahnen 4‘a und zweite innere Leiterbahnen 4‘b.

Die äußeren Leiterbahnen 3a, 3b und die inneren Leiterbahnen 4a, 4b, 4’a, 4’b werden insbesondere jeweils durch erste und zweite Durchkontaktierungen 7, 8, oder durch entsprechende Abschnitte davon, unter Ausbildung entsprechender Wicklungen, miteinander elektrisch verbunden.

Eine Erregerwicklung einer Erregungsspule beziehungsweise eine Sensorwicklung einer Sensorspule aus Leiterbahnen 3a, 3b, 4a, 4b, 4’a, 4’b und

Durchkontaktierungen 7, 8, beziehungsweise entsprechenden Abschnitten der Durchkontaktierungen 7, 8, kann insbesondere in Bezug auf die Lagen der

Mehrlagenleiterplatte 2 und/ oder in Bezug auf die Durchkontaktierungen 7, 8 symmetrisch oder asymmetrisch zum weichmagnetischen Kern 1 1 angeordnet sein.

Beispiele einer symmetrischen Anordnung einer Wicklung sind:

4’a, 7, 4’a, 7;

4’b, 8, 4’b, 8;

4a, 7, 4a, 7;

4b, 8, 4b, 8;

3a, 7, 3a, 7;

3b, 8, 3b, 8;

Beispiele einer asymmetrischen Anordnung einer Wicklung in Bezug auf die Lage sind:

4’a, 7, 4a, 7;

3a, 7, 4’a, 7;

Beispiele einer asymmetrischen Anordnung einer Wicklung in Bezug auf die Durchkontaktierungen 7, 8 sind:

4’a, 7, 4b, 8;

3b, 8, 4’a, 7;

wobei bei den angegebenen Kombinationen die erst genannte Leiterbahn in Bezug auf den Kern 1 1 oberhalb und die an zweiter Stelle genannte Leiterbahn in Bezug auf den Kern 1 1 unterhalb des Kerns 1 1 angeordnet ist; und die zuerst genannte Durchkontaktierung in Bezug auf den Kern 1 1 links und die an zweiter Stelle genannte Durchkontaktierung in Bezug auf den Kern 1 1 rechts vom Kern 1 1 angeordnet ist.

Wie bereits erwähnt, sind an Wicklungen aus inneren Leiterbahnen die

entsprechenden Durchkontaktierungen 7, 8 nur abschnittsweise beteiligt.

Wie ebenfalls bereits erwähnt, können Erregerspule und Sensorspule je nach Anwendungsfall auch vertauscht sein.

Nachfolgend zeigen Fig. 5 bis 7 schematische Darstellungen eines

Positionssensorsystems gemäß Fig. 4 im Längsschnitt. Dabei sind die Erregerspule 9 und die Sensorspule 10 abweichend von den Darstellungen der Fig. 1 bis 4 zur besseren räumlichen Veranschaulichung als Spulen mit runden Wicklungen gezeigt.

Die Mehrlagenleiterplatte 2 weist eine Länge L1 , die Erregungsspule 9 weist eine Länge L2, die Sensorspule 10 weist eine Länge L3 und der weichmagnetische Kern 1 1 weist eine Länge L4 auf. Die Längen L1 , L2, L3 und L4 sind jeweils in äußere Abschnitte a und einen inneren Abschnitt b unterteilt.

Die Längen L2, L3 und L4 können innerhalb des Maximalwertes L1 der Mehrlagen leiterplatte 2 unterschiedliche Werte annehmen.

Die Wicklungen der Erregungsspule 9 und/ oder der Sensorspule 10 können über die entsprechende Länge L2, L3 gleichmäßig, insbesondere äquidistant verteilt sein.

Die Wicklungen der Erregungsspule 9 und / oder der Sensorspule 10 können aber auch über die entsprechende Länge L2, L3 nicht gleichmäßig verteilt sein.

Dabei können die Wicklungen der Erregungsspule 9 und / oder der Sensorspule 10 vorwiegend an einem äußeren Abschnitt a oder an einem inneren Abschnitt b angeordnet sein.

In Fig. 5, in Verbindung mit Fig. 2, wird eine Wicklung der Erregungsspule 9 durch zweite äußere Leiterbahnen 3b und zweite Durchkontaktierungen 8 gebildet, wobei die Wicklungen in den beiden äußeren Abschnitten a der Länge L2 der

Erregungsspule 9 symmetrisch zum Kern 1 1 angeordnet sind.

Eine Wicklung der Sensorspule 10 wird durch zweite innere Leiterbahnen 4‘a und entsprechende Abschnitte der ersten Durchkontaktierungen 7 gebildet, wobei die Wicklungen gleichmäßig über die gesamte Länge L3 der Sensorspule 10 verteilt symmetrisch zum Kern 1 1 angeordnet sind.

Hier schließt die Erregungsspule 9 die Sensorspule 10 ein. Erregungsspule 9 und Sensorspule 10 könnten auch vertauscht sein.

In Fig. 6, in Verbindung mit Fig. 2, wird wie in Fig. 5 eine Wicklung der Sensorspule 10 durch zweite innere Leiterbahnen 4‘a und entsprechende Abschnitte der ersten Durchkontaktierungen 7 gebildet, wobei die Wicklungen gleichmäßig über die gesamte Länge L3 der Sensorspule 10 verteilt symmetrisch zum Kern 1 1 angeordnet sind.

Abweichend von Fig. 5 wird hier eine Wicklung der Erregungsspule 9 durch zweite äußere Leiterbahnen 4b auf der inneren Kupferschicht 4 und entsprechende Abschnitte der zweiten Durchkontaktierungen 8 gebildet, wobei die Wicklungen im inneren Abschnitt b der Länge L2 der Erregungsspule 9 symmetrisch zum Kern 1 1 , insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

Auch hier schließt die Erregungsspule 9 die Sensorspule 10 ein. Erregungsspule 9 und Sensorspule 10 können auch vertauscht sein.

In Fig. 7, in Verbindung mit Fig. 2, wird eine Wicklung der Erregungsspule 9 durch zweite äußere Leiterbahnen 3b und zweite Durchkontaktierungen 8 gebildet, wobei die Wicklungen gleichmäßig über die gesamte Länge L2 der Erregungsspule 9 verteilt symmetrisch zum Kern 1 1 angeordnet sind.

Eine Wicklung der Sensorspule 10 wird durch eine erste innere Leiterbahn 4a, eine erste innere Leiterbahn 4‘a und entsprechende Abschnitte der ersten

Durchkontaktierungen 7 gebildet, wobei die Wicklungen gleichmäßig über die gesamte Länge L3 der Sensorspule 10 verteilt sind. Diese Ausführungsform stellt ein Beispiel für eine asymmetrische Anordnung einer Wicklung in Bezug auf die Lage der Mehrlagenleiterplatte 2 dar.

Auch hier schließt die Erregungsspule 9 die Sensorspule 10 einschließt.

Erregungsspule 9 und Sensorspule 10 können auch je nach Anwendungsfall vertauscht sein.

Es wäre auch denkbar, dass ein Wechsel einer Lage der Mehrlagenleiterplatte 2 von Wicklung zu Wicklung stattfindet.

Bezugszeichenliste:

1 Sensorsystem

2 Mehrlagenleiterplatte

3 Äußere Kupferschicht

3a Erste äußere Leiterbahn 3b Zweite äußere Leiterbahn

4 Innere Kupferschicht

4a Erste innere Leiterbahn auf 4 4b Zweite innere Leiterbahn auf 4 4‘ Innere Kupferschicht

4’a Erste innere Leiterbahn auf 4‘ 4’b Zweite innere Leiterbahn auf 4‘

5 Isolatorschicht, Prepregschicht 6 Leiterplattenkern

7 Erste Durchkontaktierung

8 Zweite Durchkontaktierung

9 Erregungsspule

10 Sensorspule

1 1 Weichmagnetischer Kern 12 Auswerteelektronik

L1 Länge der Mehrlagenleiterplatte L2 Länge der Erregungsspule L3 Länge der Sensorspule

L4 Länge des Kerns

a Äußerer Abschnitt

b Innerer Abschnitt