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DE4309442C2 - Passiver berührungsloser magnetischer Positionssensor - Google Patents

Passiver berührungsloser magnetischer Positionssensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor, der aus einem ersten elektrisch nicht leitfähigen Substrat mit einer Wi­ derstandsschicht und einer parallel dazu angeordneten Lei­ terbahn als Potentiometerabgriff und einem zweiten elek­ trisch leitfähigen Substrat besteht, wobei mindestens ein Substrat elastisch ausgebildet ist.
Es sind Potentiometer bekannt, bei welchen zur Einstellung unterschiedlicher Widerstandswerte Leiterbahn- und Wi­ derstandsbahn parallel und galvanisch voneinander getrennt auf einem Substrat angeordnet sind. Mittels eines weiteren Leiterbahnzuges auf einem zweiten elastischen Substrat sind diese überbrückbar (DE 37 10 286 A1).
Die streifenförmigen Leiterbahnzüge des einstellbaren Wi­ derstandes greifen in der elektrischen Schaltung unter­ schiedliche Spannungen ab, je nachdem an welcher Stelle die Leiterbahnzüge miteinander kontaktiert werden. Mittels eines Abstandshalters wird das zweite Substrat vom ersten Substrat so weit distanziert, daß zwischen den auf den Sub­ straten aufgebrachten Leiterbahnen ein Kontaktabstand aufrechterhalten wird. Dieser Kontaktabstand wird erst bei Druck auf die Außenseite eines Substrates überbrückt.
Der Druck wird dabei durch ein mechanisches Hilfsmittel er­ zeugt. Bei einem gattungsgemäßen Positionssensor wird zur genauen Fixierung der mechanischen Kontaktstelle eine Magnetanordnung verwendet.
Der ständige mechanische Druck, der durch die Bewegung des krafterzeugenden Hilfsmittels auf dem elastischen Substrat entsteht, hat einen schnellen Verschleiß des Positionsge­ bers zur Folge.
Außerdem ermöglicht die Struktur der Widerstandsbahn keine genaue Bestimmung der am Widerstand abfallenden Spannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positions­ geber anzugeben, der verschleißarm und genau arbeitet sowie konstruktiv einfach zu realisieren ist und außerdem einen höheren Betriebstemperaturbereich zuläßt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß minde­ stens ein Substrat eine weichmagnetische Schicht aufweist, eine Magneteinrichtung in Richtung der Leiterbahn mit einem konstanten Abstand führbar gelagert ist, beide Substrate einen solchen Abstand aufweisen, daß unter magnetischer Einwirkung eine Berührung entsteht und die Widerstands­ schicht und die Leiterbahn Strukturen aufweisen, welche in Bewegungsrichtung der Magneteinrichtung alternierend inein­ andergreifen.
Aufgrund des magnetischen Wirkprinzips wird ein berührungs­ loser Positionsgeber realisiert, der wegen seiner Robust­ heit universell einsetzbar ist und verschleißarm arbeitet.
Vorteilhafterweise weisen die Widerstandsschicht und die Leiterbahn kammartige Strukturen auf.
Die weichmagnetische Schicht ist vorzugsweise als ein- oder beidseitig gestützte Biegebalkenstruktur ausgebildet.
Die Gestaltung sowohl der Widerstands- und der Leiterbahn als auch der weichmagnetischen Schicht ermöglicht eine Spannungsteilerschaltung. Die positionsabhängige Signal­ spannung ist somit ratiometrisch zur Versorgungsspannung und weitgehend unabhängig von den Temperaturabhängigkeiten der Widerstände.
Die Gestaltung der weichmagnetischen Schicht als Biegebal­ ken dient der Steigerung der Empfindlichkeit und zur Ver­ besserung der örtlichen Auflösung.
Zwischen beiden Substraten sind zur Distanzierung und Ver­ meidung eines unbeabsichtigten Kurzschlusses Abstandshalter vorgesehen.
Dies kann aber auch dadurch realisiert werden, daß die Wi­ derstandsschicht und die Leiterbahn unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
Zur Verbesserung der elektrischen Kontaktsicherheit sind die weichmagnetischen Schichten mit leitfähigem Material beschichtet.
Die Magneteinrichtung ist vorteilhafterweise ein Permanent­ magnet, der als Stab- oder Ringmagnet ausgebildet sein kann.
Als Materialien für das elektrisch nichtleitfähige Substrat sind Keramik oder Kunststoff besonders geeignet.
Anstelle der Widerstandsbahn können die kammartigen Struk­ turen auch Einzelwiderstände zwischen den Abgriffen aufwei­ sen, deren Widerstandswert mittels Laserschnitt abgleichbar ist.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu, wobei zwei in den Figuren anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionsgebers,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionsgebers.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszei­ chen versehen.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines berührungslosen magnetischen Positionsgebers auf der Basis einer Folienanordnung darge­ stellt.
Die unmagnetische, elektrisch nichtleitende Folie 1 trägt die Widerstandsschicht 3 und die Leiterbahn 4. Beide sind parallel zueinander angeordnet und weisen eine kammartige Struktur auf, die abwechselnd ineinandergreift. Die paral­ lel, in konstantem Abstand nebeneinander liegenden Zungen 3a und 4a der Widerstandsschicht 3 und der Leiterbahn 4 be­ stehen aus einer magnetisch weichen Schicht, z. B. Permalloy.
Die Widerstandsschicht 3 besteht beispielsweise aus Dick­ schichtmaterial und ist vorzugsweise elektrisch mit Masse und der Betriebsspannung UB verbunden. An der Leiterbahn 4 liegt die Signalspannung UAus, die im Bereich OV . . . UB va­ riierbar ist und die Position des Magneten darstellt.
Der Folie 1 ist ein Abstandsrahmen 7 nachgeordnet, der in seinen äußeren Abmessungen der Folie 1 und einer weiteren Folie 2 entspricht und einen Abstand zwischen den Folien im µm-Bereich sicherstellt.
Die Kunststoffolie 2 weist eine elektrisch leitfähige, aber unmagnetische Schicht 5 auf, die aus Gold oder Silber be­ steht. Gegenüber der Rückseite der Folie 2 ist ein Perma­ nentmagnet 6 angeordnet, der in Richtung des veränderlichen Widerstandes der zusammengefügten Folien 1 und 2 linear be­ weglich geführt ist und einen konstanten Abstand zur zwei­ ten Folie 2 besitzt.
Der Permanentmagnet 6 wird im Bereich der elektrisch leitfähigen Schicht 5 bewegt. Die sich auf der Folie 1 be­ findlichen Zungen 3a, 4a aus weichmagnetischem Material werden durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 6 angezo­ gen und auf der elektrisch leitfähigen Schicht 5 der Folie 2 kontaktiert. Je nachdem, an welcher Position der Perma­ nentmagnet 6 einen Kurzschluß erzeugt, wird an dieser Stelle ein bestimmter Abgriff der Widerstandsbahn 1 durch den Anschluß UAUS erzeugt.
Gemäß Fig. 2 sind die Widerstandsschicht 3 und die Leiter­ bahn 4 auf einem Keramiksubstrat 8 aufgebracht. Die Vor­ teile der Keramiksubstrate liegen in den hohen Betriebstem­ peraturbereichen. Die geometrische Anordnung der Wider­ standsschicht 3 und der Leiterbahn 4 entspricht der aus Fig. 1. Die alternierend parallel zueinander liegenden Zun­ gen 3a und 4a der Widerstandsbahn 3 und der Leiterbahn 4 bestehen aus elektrisch leitfähigem Material wie Gold oder Silber.
Das Keramiksubstrat 8 weist im Randbereich einen Abstands­ rahmen 7 auf, welcher die Funktion hat, einen konstanten Abstand zwischen dem Keramiksubstrat 8 und einer darauf liegenden weichmagnetischen Folie 9 aufrechtzuerhalten, welcher erst durch den Einfluß des Magnetfeldes des Perma­ nentmagneten 6 auf die mit beid- oder einseitig gestützten Biegebalkensegmenten 9a versehene weichmagnetische Folie 9 überbrückt wird.
Die weichmagnetische Folie 9 ist so positioniert, daß je ein Biegebalken 9a gleichzeitig eine Zunge 3a der Widerstandsbahn 3 und eine Zunge 4a der Leiterbahn 4 über­ deckt.
Zur hermetischen Abdichtung des Keramiksubstrates 8 ist über der weichmagnetischen Folie 9 ein Schutzstreifen 10 vorgesehen.
Auch in dieser Ausführung ist der Permanentmagnet 6 in ei­ nem magnetisch sicheren Abstand auf der Rückseite des Kera­ miksubstrates 8 beweglich entlang der Widerstandsbahn 3 und der Leiterbahn 4 geführt.
Infolge des Magnetfeldes werden die Biegebalken 9a der weichmagnetischen Folie 9 angezogen und kontaktieren somit die Zungen 3a und 4a.
Auch hier bestimmt die Position des Permanentmagneten 6, welcher Abgriff der Widerstandsbahn 3 durch den Anschluß UAUS erzeugt wird.
Anstelle der Widerstandsbahn sind auch Einzelwiderstände zwischen den Abgriffen der Kammstrukturen möglich. Die Ein­ zelwiderstände sind dabei durch Laserschnitte auf bestimmte Widerstandswerte abgleichbar.
Die Erfindung bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Weg- oder Winkelmessung, insbesondere als Er­ satz für verschleißende Potentiometer als Positionsgeber.

Claims (11)

1. Passiver berührungsloser magnetischer Positionssensor, bestehend aus einem ersten elektrisch nichtleitfähigen Sub­ strat mit einer Widerstandsschicht und einer parallel dazu angeordneten Leiterbahn als Potentiometerabgriff und einem zweiten elektrisch leitfähigen Substrat, wobei mindestens ein Substrat elastisch ausgebildet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • - mindestens ein Substrat (1, 2) eine weichmagneti­ sche Schicht aufweist,
  • - eine Magneteinrichtung (6) in Richtung der Lei­ terbahn (4) mit einem konstanten Abstand geführt ist,
  • - beide Substrate (1, 2) einen solchen Abstand auf­ weisen, daß unter magnetischer Einwirkung eine Berührung entsteht und
  • - die Widerstandsschicht (3) und die Leiterbahn (4) Strukturen (3a, 4a) aufweisen, welche in Bewe­ gungsrichtung der Magneteinrichtung (6) alternie­ rend ineinandergreifen.
2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (3) und die Leiterbahn (4) kamm­ artige Strukturen (3a, 4a) aufweisen.
3. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetische Schicht als ein- oder beidseitig gestützte Biegebalkenstruktur (9a) ausgebildet ist.
4. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate (1, 2) durch Abstandshalter (7) getrennt sind.
5. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung des Sub­ stratabstandes die Widerstandsschicht (3) und die Leiter­ bahn (4) unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
6. Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetische Schicht mit elektrisch leitfähigem Material beschichtet ist.
7. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Permanentmagnet (6) dem nichtmagnetischen Substrat (2) gegenüberliegt.
8. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nichtleitfähige Substrat (1) aus Keramik oder Kunststoff besteht.
9. Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate (1, 2) hermetisch verschlossen sind.
10. Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die kammartigen Strukturen (3a, 4a) Einzelwider­ stände zwischen den Abgriffen aufweisen.
11. Positionssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einzelwiderstände mittels Laserschnitten auf bestimmte Widerstandswerte abgleichbar sind.
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