一種踏板位置傳感器的工藝改進

吳軍,陳立國

(蘇州大學,江蘇蘇州 215021)

一種踏板位置傳感器的工藝改進

吳軍,陳立國

(蘇州大學,江蘇蘇州 215021)

簡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。介紹了當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，為了進一步降低成本，提高其相對于非接觸式位置傳感器的價格優(yōu)勢，提出一種用技術成熟的PCB代替塑料底板的新制造工藝。同時詳細介紹了用于提高產品精度的激光修正工藝的工作方式。

電位計；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)、數據總線、伺服電動機和節(jié)氣門執(zhí)行機構組成。位移傳感器安裝在油門踏板內部，隨時監(jiān)測油門踏板的位置。電子油門踏板位置的改變，使節(jié)氣門開度改變，踩下時開度增大，松開時開度減小。變阻型位移傳感器使用比較廣泛，應用時間最長。它有如下優(yōu)點：

(1) 結構簡單、尺寸小、質量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；

(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；

(3)輸出信號大，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，而且會降低測量精度，分辨率較低；動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。

盡管今天已有很多傳感器能在實際應用中取代它， 比如電磁式、光電式等，但是它的成本優(yōu)勢使它仍然在市場上占有很大的份量。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

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

板上運動，從而有兩個輸出信號。ECU單元會檢測這兩個信號是否符合一定的對應關系，進而決定是否調節(jié)節(jié)氣門。因此在實際工業(yè)生產中，踏板位移傳感器的制造過程是：將轉頭與底板分開制造，然后再將兩者通過外殼組裝在一起，最后進行測試。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 轉頭部件制造

轉頭部件中的導電部件，考慮到汽車踏板需要不停地動作,所以對旋轉壽命的要求特別高。在設計傳感器時，選擇高耐磨的導電塑料制作電阻體,電刷采用進口的多元合金絲多指刷,來達到優(yōu)秀的旋轉壽命指標。如圖2所示，是一種導電部件的圖形。

為了保證輸出信號的高可靠性,在設計時采用了雙聯(lián)電位器，因此一個轉頭部件上有兩個導電部件。在實際制作中，可以采用對塑料柱進行熱鉚接或超聲波鉚接的方法將它們固定在轉頭部件上，這樣不僅能充分地保證4個接觸刷子的徑向同步性,進而確保組裝后電壓信號輸出的同步性,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。組裝后的轉頭如圖3所示。

1.2 印刷底板制造

在當前的工藝中，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電油墨，為了盡可能減少電阻，多采用銀漿。經過烘烤后，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

在不改變轉頭、外殼等原材料，同時不影響后續(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費用；同時大大縮減了研發(fā)周期，也不需要增加設備投資。

2.1 PCB設計

雙聯(lián)電位計的基本電子線路相對簡單，如圖5所示。

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

所以雙面板即可滿足設計要求，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，通過設計相應的電阻油墨區(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電油墨印刷線路完全相同。鑒于銅箔與導電油墨在厚度及導電率方面的差異，PCB的電子線路的線寬和線路末端設計應充分考慮如何補償兩者的影響。

為了保證電阻油墨印刷位置正確，可以仍然采用設計印刷對齊標志線的做法。同時有效電阻區(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系圖。

2.2 關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，最大的缺點就是有摩擦損耗，所以對印刷油墨的要求較高。同時由于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 ℃溫度時固化。根據厚膜印刷的特點,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,要想滿足此產品2%的要求,尤其是同步性5‰的要求,對印刷精度要求很高。在現有印刷機和檢測膜厚儀器的基礎上,專做了平整度很好的印刷夾具,通過多次試驗,調整好漿料的最佳黏度以及最佳流平固化時間。 由于印刷工藝的限制，印刷后的底板中各個電阻的阻值不穩(wěn)定，很多都不能達到要求。同時其電阻與角度的斜率也很難全部達到安全要求。因此在實際生產中，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到組裝要求。近幾年，由于激光技術的發(fā)展，大多數修正工藝都從原來使用金剛石切頭的機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號線路為例：

第一步：將1號引腳接上恒流源的正極，5號引腳接上恒流源的負極。恒流源的電流為I。通過電壓表測量1號和5號引腳之間的電壓U2。根據歐姆定律，得出

R2Total=U2/I

(1)

第二步：在可變電阻P2的負極增加探針Pot1，正極增加探針Pot2。 通過電壓表測量低端與高端的電壓UPot1和UPot2。 根據歐姆定律，可以得出實際的低端電阻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)

實際低端輸出比例為OutputLow2,實際高端輸出比例為OutputHigh2

OutputLow2=UPot1/U2

(5)

OutputHigh2=UPot2/U2

(6)

測量并記錄數據后，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的恒壓源正負板分別接入1號引腳和5號引腳(采用10 V電壓,而不是客戶實際使用的5 V電壓,主要是為了方便計算和測量,以盡可以減少測量誤差)。使用電壓表測量低端的電壓，同時讓激光修正機對低端電阻R1進行縱向燒灼，使其電阻較快升高，提高其在總電阻中的比例。當測量得到的低端電壓接近1 V時，改為橫向燒灼，使低端電壓達到1 V，然后關閉激光。

第四步：使用電壓表測量高端的電壓OutputHigh2，同時讓激光修正機對低端電阻R2進行縱向燒灼，使其電阻較快升高，提高其在總電阻中的比例。當測量得到的低端電壓接近9 V時，改為橫向燒灼，使低端電壓達到9 V。

同理，可以對1號線路進行激光修正。

同時為了提供傳感器的使用壽命，也可以使用固化工藝，即在底板滑動電阻區(qū)噴上一層潤滑油，使其表面硬度增加?？梢允褂每颂敳镜腂arrierta I EL Fluid高溫潤滑油和稀釋劑XZ3-1按1∶99的比例進行混合對電阻油墨進行表面處理。

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?？芍菏褂肞CB板，省去了導電油墨使用，其他工藝沒有任何改變。這可以降低產品的報廢率，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板的外形尺寸應與塑料底板完全相同，特別是定位孔和厚度。

3 測試結果及分析

目前各個汽車零部件廠商都是按照國際標準化組織的TS16949要求進行生產管理。具體的產品技術參數都是按照客戶的產品技術開發(fā)要求制定的。仍然使用現有的測試系統(tǒng)，在實際的產品測試中，所有技術參數均能達到客戶的要求并通過測試。

4 結論

在接觸式油門位置傳感器中，用PCB板代替塑料在技術層面是可行的，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)現了在新產品中用PCB板的額外好處：

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

(2)可以在PCB板上設計一些其他功能電路，比如濾波電路、模數轉換電路，或者其他信號處理電路等，使接觸式傳感器能夠輸出數字信號，使企業(yè)可以提高客戶的滿意度。

(3)PCB板的設計周期較塑料底板的設計周期短。在制作樣品階段，特別是要求供應商進行打樣過程中，難度有大幅度的降低，大大縮小了樣品制作時間，使客戶有充足的時間進行設計驗證。

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

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ProcessImprovementfortheETCPedalSensor

WU Jun，CHEN Liguo

(Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China)

2014-09-29

吳軍(1981—)，男，工程碩士，研究方向為機器人控制技術。

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