一種踏板位置傳感器的工藝改進(jìn)

吳軍,陳立國

(蘇州大學(xué),江蘇蘇州 215021)

一種踏板位置傳感器的工藝改進(jìn)

吳軍,陳立國

(蘇州大學(xué),江蘇蘇州 215021)

簡(jiǎn)要闡述了接觸式踏板位置傳感器與非接觸式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。介紹了當(dāng)前常用的接觸式汽車電子油門踏板的制作工藝。在滿足客戶要求的前提下，為了進(jìn)一步降低成本，提高其相對(duì)于非接觸式位置傳感器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，提出一種用技術(shù)成熟的PCB代替塑料底板的新制造工藝。同時(shí)詳細(xì)介紹了用于提高產(chǎn)品精度的激光修正工藝的工作方式。

電位計(jì)；激光修正；PCB板；傳感器

Abstract:The advantages and disadvantages of contacted pedal position sensor and non-contact one were briefly introduced.The common production process of the contacted electronic throttle pedal sensor was described.In order to further reduce costs and improve its price advantage against non-contact one,a new process using PCB to instead of plastic substrate was raised under the premise to meet customer requirements.Meanwhile the work mode of the laser correction process which was used to improve the product precision was illustrated.

Keywords:Potentiometer;Laser correction;PCB;Sensor

0 引言

電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU(電控單元)、數(shù)據(jù)總線、伺服電動(dòng)機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測(cè)油門踏板的位置。電子油門踏板位置的改變，使節(jié)氣門開度改變，踩下時(shí)開度增大，松開時(shí)開度減小。變阻型位移傳感器使用比較廣泛，應(yīng)用時(shí)間最長。它有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；

(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響小；

(3)輸出信號(hào)大，一般不需放大。

但是它是接觸式，存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，分辨率較低；動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。

盡管今天已有很多傳感器能在實(shí)際應(yīng)用中取代它， 比如電磁式、光電式等，但是它的成本優(yōu)勢(shì)使它仍然在市場(chǎng)上占有很大的份量。此文的目的是為企業(yè)提供一種以PCB板代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料底板以降低成本、改進(jìn)踏板位移傳感器的方法。

1 接觸式踏板位置傳感器制造流程

在當(dāng)前汽車行業(yè)要求中，為了提高安全性、防止誤發(fā)信號(hào)，接觸式踏板位移傳感器都采用雙聯(lián)電位計(jì)。就是將兩個(gè)接觸部件連接在一起，當(dāng)踏板位置改變時(shí)，會(huì)帶動(dòng)它們一起在底

板上運(yùn)動(dòng)，從而有兩個(gè)輸出信號(hào)。ECU單元會(huì)檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)是否符合一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而決定是否調(diào)節(jié)節(jié)氣門。因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，踏板位移傳感器的制造過程是：將轉(zhuǎn)頭與底板分開制造，然后再將兩者通過外殼組裝在一起，最后進(jìn)行測(cè)試。常見的使用塑料底板的傳感器制作流程框圖，見圖1所示。

1.1 轉(zhuǎn)頭部件制造

轉(zhuǎn)頭部件中的導(dǎo)電部件，考慮到汽車踏板需要不停地動(dòng)作,所以對(duì)旋轉(zhuǎn)壽命的要求特別高。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，選擇高耐磨的導(dǎo)電塑料制作電阻體,電刷采用進(jìn)口的多元合金絲多指刷,來達(dá)到優(yōu)秀的旋轉(zhuǎn)壽命指標(biāo)。如圖2所示，是一種導(dǎo)電部件的圖形。

為了保證輸出信號(hào)的高可靠性,在設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙聯(lián)電位器，因此一個(gè)轉(zhuǎn)頭部件上有兩個(gè)導(dǎo)電部件。在實(shí)際制作中，可以采用對(duì)塑料柱進(jìn)行熱鉚接或超聲波鉚接的方法將它們固定在轉(zhuǎn)頭部件上，這樣不僅能充分地保證4個(gè)接觸刷子的徑向同步性,進(jìn)而確保組裝后電壓信號(hào)輸出的同步性,而且使接觸電刷的彈性大大改良,可以提高傳感器的電氣性能。組裝后的轉(zhuǎn)頭如圖3所示。

1.2 印刷底板制造

在當(dāng)前的工藝中，采用傳統(tǒng)的TOSEC( Track Over Stoved End Connection)工藝。首先在清潔的底板上印刷好導(dǎo)電油墨，為了盡可能減少電阻，多采用銀漿。經(jīng)過烘烤后，再印刷電阻油墨，然后再次烘烤。底板材料多選擇PPA-65GF。圖4(a)是一種踏板位置傳感器底板印刷銀漿后的圖片，圖4(b)是印刷電阻油墨后的圖片。

1.3 組裝

將轉(zhuǎn)頭與底板通過外殼組裝在一起，大多采用超聲波焊接工藝。

2 使用PCB板代替塑料底板的工藝

在不改變轉(zhuǎn)頭、外殼等原材料，同時(shí)不影響后續(xù)組裝的前提下，使用PCB板代替塑料底板。既可以省去前期的模具開發(fā)和試模等成本，也免去了后期的模具維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)大大縮減了研發(fā)周期，也不需要增加設(shè)備投資。

2.1 PCB設(shè)計(jì)

雙聯(lián)電位計(jì)的基本電子線路相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖5所示。

供給電源為U1和U2，可以由同一個(gè)穩(wěn)壓電源提供，通過負(fù)載電阻來調(diào)節(jié)電位計(jì)P1和P2的輸出電壓u1和u2。

所以雙面板即可滿足設(shè)計(jì)要求，其一面為印刷面，另一面為線路連接面。PCB基材可選擇行業(yè)內(nèi)常用的FR4。線路中所有的電阻，均由印刷電阻油墨來完成。因此在PCB上，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的電阻油墨區(qū)可以很容易得到需要的電阻值。但是考慮到銅箔厚度對(duì)厚膜印刷工藝的影響，銅箔厚度不能超過1盎司。其印刷面的電子線路的功能必須與導(dǎo)電油墨印刷線路完全相同。鑒于銅箔與導(dǎo)電油墨在厚度及導(dǎo)電率方面的差異，PCB的電子線路的線寬和線路末端設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮如何補(bǔ)償兩者的影響。

為了保證電阻油墨印刷位置正確，可以仍然采用設(shè)計(jì)印刷對(duì)齊標(biāo)志線的做法。同時(shí)有效電阻區(qū)、電氣電阻區(qū)的長度、弧度、起始位置、終止位置等參數(shù)必須與塑料印刷底板相同，這樣才能保證輸入輸出的一致性。圖7為一種位置傳感器的輸入輸出關(guān)系圖。

2.2 關(guān)鍵材料的選用和印刷精度的保證

接觸式油門踏板位置傳感器與非接觸式傳感器相比，最大的缺點(diǎn)就是有摩擦損耗，所以對(duì)印刷油墨的要求較高。同時(shí)由于PCB板能承受的烘烤溫度較塑料底板低，所以要求電阻油墨能夠在約190 ℃溫度時(shí)固化。根據(jù)厚膜印刷的特點(diǎn),厚膜印刷電位器線性精度一直較線繞電位器差,最好的僅在3%左右,要想滿足此產(chǎn)品2%的要求,尤其是同步性5‰的要求,對(duì)印刷精度要求很高。在現(xiàn)有印刷機(jī)和檢測(cè)膜厚儀器的基礎(chǔ)上,專做了平整度很好的印刷夾具,通過多次試驗(yàn),調(diào)整好漿料的最佳黏度以及最佳流平固化時(shí)間。 由于印刷工藝的限制，印刷后的底板中各個(gè)電阻的阻值不穩(wěn)定，很多都不能達(dá)到要求。同時(shí)其電阻與角度的斜率也很難全部達(dá)到安全要求。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用修正工藝，通過增加其高端和低端電阻，使其電阻值及其斜率達(dá)到組裝要求。近幾年，由于激光技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)修正工藝都從原來使用金剛石切頭的機(jī)械修正改為使用激光燒灼的激光修正。

其基本方法如下，以2號(hào)線路為例：

第一步：將1號(hào)引腳接上恒流源的正極，5號(hào)引腳接上恒流源的負(fù)極。恒流源的電流為I。通過電壓表測(cè)量1號(hào)和5號(hào)引腳之間的電壓U2。根據(jù)歐姆定律，得出

R2Total=U2/I

(1)

第二步：在可變電阻P2的負(fù)極增加探針Pot1，正極增加探針Pot2。 通過電壓表測(cè)量低端與高端的電壓UPot1和UPot2。 根據(jù)歐姆定律，可以得出實(shí)際的低端電阻R1以及R可變電阻1與R1的阻值之和

R1=UPot1/I

(2)

R可變電阻1+R1=UPot2/I

(3)

通過公式(1)、公式(3)和圖5，可以得出R2的阻值

R2=R1Total-R可變電阻1-R1=(U22-UPot2)/I

(4)

實(shí)際低端輸出比例為OutputLow2,實(shí)際高端輸出比例為OutputHigh2

OutputLow2=UPot1/U2

(5)

OutputHigh2=UPot2/U2

(6)

測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)后，撤離電流源保留探針繼續(xù)接觸到底板。

第三步：將電壓為10 V的恒壓源正負(fù)板分別接入1號(hào)引腳和5號(hào)引腳(采用10 V電壓,而不是客戶實(shí)際使用的5 V電壓,主要是為了方便計(jì)算和測(cè)量,以盡可以減少測(cè)量誤差)。使用電壓表測(cè)量低端的電壓，同時(shí)讓激光修正機(jī)對(duì)低端電阻R1進(jìn)行縱向燒灼，使其電阻較快升高，提高其在總電阻中的比例。當(dāng)測(cè)量得到的低端電壓接近1 V時(shí)，改為橫向燒灼，使低端電壓達(dá)到1 V，然后關(guān)閉激光。

第四步：使用電壓表測(cè)量高端的電壓OutputHigh2，同時(shí)讓激光修正機(jī)對(duì)低端電阻R2進(jìn)行縱向燒灼，使其電阻較快升高，提高其在總電阻中的比例。當(dāng)測(cè)量得到的低端電壓接近9 V時(shí)，改為橫向燒灼，使低端電壓達(dá)到9 V。

同理，可以對(duì)1號(hào)線路進(jìn)行激光修正。

同時(shí)為了提供傳感器的使用壽命，也可以使用固化工藝，即在底板滑動(dòng)電阻區(qū)噴上一層潤滑油，使其表面硬度增加。可以使用克虜伯公司的Barrierta I EL Fluid高溫潤滑油和稀釋劑XZ3-1按1∶99的比例進(jìn)行混合對(duì)電阻油墨進(jìn)行表面處理。

2.3 使用PCB板后的底板工藝

圖8為使用PCB板的傳感器制造流程圖。可知：使用PCB板，省去了導(dǎo)電油墨使用，其他工藝沒有任何改變。這可以降低產(chǎn)品的報(bào)廢率，也減少了原材料的使用，有利于降低成本。

2.4 PCB板與殼體組裝

考慮到成本因素，兩者的組裝仍然采用原有工藝設(shè)備，建議使用熱鉚接或超聲波鉚接工藝。所以要求PCB板的外形尺寸應(yīng)與塑料底板完全相同，特別是定位孔和厚度。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

目前各個(gè)汽車零部件廠商都是按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的TS16949要求進(jìn)行生產(chǎn)管理。具體的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)都是按照客戶的產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)要求制定的。仍然使用現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)，在實(shí)際的產(chǎn)品測(cè)試中，所有技術(shù)參數(shù)均能達(dá)到客戶的要求并通過測(cè)試。

4 結(jié)論

在接觸式油門位置傳感器中，用PCB板代替塑料在技術(shù)層面是可行的，也可以在成本方面有很大程度的降低，而且不需要額外的硬件投資。在研究過程中，也發(fā)現(xiàn)了在新產(chǎn)品中用PCB板的額外好處：

(1)用PCB板代替塑料底板，可以縮小產(chǎn)品的尺寸。這可以使外殼和轉(zhuǎn)頭的質(zhì)量減輕，減少產(chǎn)品整體質(zhì)量，從而對(duì)整車質(zhì)量的減輕做出少許貢獻(xiàn)。

(2)可以在PCB板上設(shè)計(jì)一些其他功能電路，比如濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，或者其他信號(hào)處理電路等，使接觸式傳感器能夠輸出數(shù)字信號(hào)，使企業(yè)可以提高客戶的滿意度。

(3)PCB板的設(shè)計(jì)周期較塑料底板的設(shè)計(jì)周期短。在制作樣品階段，特別是要求供應(yīng)商進(jìn)行打樣過程中，難度有大幅度的降低，大大縮小了樣品制作時(shí)間，使客戶有充足的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

(4)使用PCB板，使得研發(fā)人員非常容易更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而且損失也較使用塑料底板小很多。

【1】 柴姍姍,林敏,羅哉,等.電子油門踏板綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2013(1):48-53.

【2】 葉飛,馬明星.基于HALL元件的電子油門踏板電路的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(11):4-7.

【3】 郭櫻花.車用電子油門踏板傳感器研制探討[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2008(5):126-129.

【4】 王珂,劉春生,李駿,等.非接觸式油門踏板傳感器的設(shè)計(jì)[J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),1999(1):71-75.

【5】 郄鶴峰,白松麒,張奇峰,等.一種電子油門踏板耐久性及性能試驗(yàn)裝置的研制[J].汽車科技,2011(2):67-70.

【6】 祝軻卿,胡建文,冒曉建,等.電控柴油機(jī)雙電位器油門踏板控制策略的研究[J].柴油機(jī),2012(4):14-17,52.

【7】 油門踏板的改進(jìn)[J].拖拉機(jī),1976(5):54-55.

【8】 陳科球,劉彭義.基于MLX90316的汽車油門踏板的設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013(10):53-55.

【9】 周昌林.發(fā)動(dòng)機(jī)電子油門控制[J].汽車維修,2002(5):9-10.

【10】 秦玉偉.磁阻式角度傳感器在電子油門系統(tǒng)的應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2007(4):57-58,6.

【11】 史瑞祥.汽車節(jié)氣門的柔性控制[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù),2007(1):11-13.

ProcessImprovementfortheETCPedalSensor

WU Jun，CHEN Liguo

(Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China)

2014-09-29

吳軍(1981—)，男，工程碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

陳立國(1974—)，E-mail:wujun19810930@163.com。