DE102006057917A1

DE102006057917A1 - Induktive Sensoreinrichtung mit konischem Spulenkern

Info

Publication number: DE102006057917A1
Application number: DE102006057917A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feucht
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-12
Also published as: US20080164886A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoreinrichtung (1) mit zumindest einer elektrischen Spule (4, 16), wobei ein entsprechend einem zu messenden Weg oder Winkel verstellbarer, in die Spule (4, 16) eintauchender Spulenkern (6) vorgesehen ist. Die Erfindung sieht vor, dass der Spulenkern (6) einen Abschnitt (10) aufweist, welcher sich ausgehend von einem einerseits angrenzenden Abschnitt (12) konstanten Querschnitts in Spulenkernlängsrichtung gesehen stufenweise oder stetig bis zu einem andererseits angrenzenden Abschnitt (14) konstanten Querschnitts verjüngt. Bei vorgegebenem Messweg können dadurch kürzere Spulen verwendet werden, wodurch Bauraum gespart wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer induktiven Sensoreinrichtung mit zumindest einer elektrischen Spule, wobei ein entsprechend einem zu messenden Weg oder Winkel verstellbarer, in die Spule eintauchender Spulenkern vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind sog. Tauchankeraufnehmer bekannt, bei welchen durch das Eintauchen von Weicheisenkernen in die Spule dem Magnetfluss ein geringerer Widerstand entgegengesetzt wird, wodurch sich die Induktivität der Spule messbar erhöht. Dabei ist der Weicheisenkern meist glattzylindrisch ausgebildet. Die Baulänge solcher Tauchankeraufnehmer überschreitet jedoch den Messweg in der Regel erheblich.
Eine gattungsgemäße induktive Sensoreinrichtung ist auch aus der DE 43 30 540 C1 bekannt. Dort ist ein die Spule tragender Spulenkörper rechteckförmig ausgebildet und weist in seinem Zentrum einen schlitzförmigen Durchbruch auf, in welchen eine als Spulenkern fungierende, exzentrische drehbar gelagerte Platte von außen her eintauchbar ist. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch auch der relativ hohe Platzbedarf.
Eine typische Anwendung solcher induktiver Wegaufnehmer stellt die Messung des Pedalwegs bzw. Pedaldrehwinkels eines Kraftfahrzeugpedals dar, insbesondere eines Nutzfahrzeugpedals, insbesondere eines Nutzfahrzeugbremspedals in einem Fußbremsmodul eines elektronischen Bremssystems. Abhängig von der Drehstellung bzw. von dem Betätigungsweg des Fußpedals wird in einer mikroprozessorbasierten Auswerteeinrichtung ein Sollwertsignal für die Bremskraft bzw. den Bremsdruck erzeugt, welches von einem Bremssteuergerät verarbeitet wird, das daraus Stellsignale für nachgeordnete Druckregelmodule generiert. Analoges gilt auch für das Gas- und das Kupplungspedal bei elektrischer Ansteuerung der entsprechenden Aktoren.
Da der Bauraum im Bereich solcher Fußpedalmodule in der Regel sehr eingeschränkt ist, sind platzsparende Lösung wünschenswert. Würde man jedoch zur Reduzierung des Platzbedarfs lediglich die Länge der Spulenkerne verkürzen, so ergäbe sich ein kürzerer Messweg und damit eine geringe Auflösung bzw. eine geringere Empfindlichkeit einer solchen induktiven Sensoreinrichtung, was im Hinblick auf die Dosierbarkeit der jeweils betätigten Funktion (Gas, Bremse, Kupplung) nicht wünschenswert erscheint.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine induktive Sensoreinrichtung der eingangs erwähnten Art derart weiter zu bilden, dass sie kleiner baut und trotzdem einen relativ großen Messweg aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, den Spulenkern nicht wie beim Stand der Technik zylindrisch auszuführen, sondern derart, dass er einen Abschnitt aufweist, welcher sich ausgehend von einem einerseits angrenzenden Abschnitt konstanten Querschnitts in Spulenkernlängsrichtung gesehen stufenweise oder stetig bis zu einem andererseits angrenzenden Abschnitt konstanten Querschnitts verjüngt.
Wegen der stufenweise oder stetigen Querschnittsverjüngung wird abhängig von seiner Eintauchtiefe des Spulenkerns in die Spule ein sich stärker ändernder Anteil seines Volumens vom Magnetfeld erfasst als dies bei glattzylindrischen Spulenkernen der Fall ist. Bei gleicher Baulänge der Spulenkerne erreicht die Ausführung gemäß der Erfindung deshalb einen größeren Messweg und damit eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit. Setzt man den gleichen Messweg wie beim Stand der Technik als Maßstab an, ist demzufolge eine kürzere Baulänge der Spule und des Spulenkerns möglich, wodurch sich der Bauraumbedarf der induktiven Sensoreinrichtung reduziert und eine Anwendung als Weg- oder Winkelsensor bei Fußpedalen in Fahrzeugen besonders vorteilhaft ist.
Um eine für eine Messung ausreichende Empfindlichkeit und Linearität zu erhalten, bildet eine Voraussetzung, dass der Spulenkörper in ausreichendem Maße von den Feldlinien des Magnetfelds erfasst wird, was der Fachmann durch eine geeignete Anpassung der Geometrien und Spulenwindungen etc. festlegt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Erfindung möglich.
Besonders bevorzugt ist der Querschnitt des Spulenkerns zylindrisch und die Verjüngung konisch. Dies bedingt eine sehr einfache Herstellung des Spulenkerns.
Wegen der Verkürzung der Spulenbaulänge können insbesondere mehrere Spulen in Reihe hintereinander angeordnet werden, von welchen wenigstens eine Spule eine bezüglich einer anderen Spule redundante Spule darstellt. Damit ist die Funktion der induktiven Sensoreinrichtung auch dann gewährleistet, wenn die andere Spule ausfällt. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wesentlich, beispielsweise bei einer induktiven Sensoreinrichtung eines Bremspedals, bei welcher das Messsignal die Basis für die Bremsbetätigung bildet. Weil die induktive Sensoreinrichtung kurz baut, kann eine weitere, hinter oder vor einer Spule angeordnet redundante Spule vorgesehen werden, ohne dass sich ihre Baulänge allzu sehr vergrößert.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Querschnittsdarstellung einer induktiven Sensoreinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer induktiven Sensoreinrichtung 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Das Messprinzip beruht dabei auf der Messung der Änderung der Induktivität einer auf einen Spulenkörper 2 gewickelten elektrischen Spule 4 durch das Einbringen eines Spulenkerns 6 in eine zentrale Spulenöffnung 8 des Spulenkörpers 2 und damit in die Feldlinien des von ihr erzeugten magnetischen Feldes.
Die Induktivität einer solchen Spule 2 berechnet sich nach Gleichung (1) wie folgt:
wobei

N: die Windungszahl der Spule 4,
s: die Weglänge der magnetischen Feldlinien,
A: die von den magnetischen Feldlinien durchsetzte Fläche,
μ: die Permeabilität des Materials des Spulenkerns 6 ist.

Die Induktivität kann daher durch das Einbringen von Materialien unterschiedlicher Permeabilität in den magnetischen Kreis verändert werden. Die Erfindung basiert zunächst auf dem Gedanken, den der Spule 4 zugeordneten, in der Spulenöffnung 8 angeordneten Spulenkern 6 in dieser linear zu verschieben. Vorzugsweise besteht der Spulenkern 6 aus einem ferromagnetischen Material oder aus Aluminium.
Eine Änderung der Induktivität der Spule 4 als Maß für eine Änderung eines Weges oder Winkels wird dann dadurch erzielt, dass der Spulenkern 6 mit einem Objekt, dessen Drehlage bzw. Wegposition gemessen werden soll, derart zusammenwirkt, dass bei Änderung der Drehlage bzw. der Wegposition des Objekts ein unterschiedlicher Anteil des Volumens des Spulenkerns 6 vom Magnetfeld erfasst wird. Dies bedeutet, dass durch eine Änderung der axialen Lage des Spulenkerns 6 relativ zur Spule 4 eine Änderung der Induktivität der Spule 4 als Maß für eine Änderung der Drehlage bzw. der Wegposition des Objekts hervorgerufen wird. Die Permeabilität von ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Kobalt oder Nickel ist wesentlich größer als 1, so dass das magnetische Feld erheblich gestärkt wird, wenn ein solcher Spulenkern 6 von den magnetischen Feldlinien erfasst wird.
Der Spulenkern 6 weist einen Abschnitt 10 auf, welcher sich ausgehend von einem einerseits angrenzenden Abschnitt 12 konstanten größeren Querschnitts in Spulenkernlängsrichtung gesehen stufenweise oder stetig bis zu einem andererseits angrenzenden Abschnitt 14 konstanten kleineren Querschnitts verjüngt. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt des Spulenkerns 6 zylindrisch und der verjüngte Abschnitt 10 konisch ausgebildet. Dabei durchragt der Spulenkern 6 die Spulenkörperöffnung 8 vorzugsweise, wobei eine Änderung der Induktivität der Spule dann eintritt, wenn sich der innerhalb der Spulenkörperöffnung 8 befindliche Querschnitt des Spulenkerns 6 durch eine axiale Linearbewegung des Spulenkerns 6 ändert, was im Bereich des konischen Abschnitts 10 der Fall ist.
Wegen der dadurch bewirkten Verkürzung der Baulänge der Spule 4 bzw. des Spulenkörpers 2 bei gleichzeitig großem Messweg können insbesondere mehrere Spulen 4, 16 in Reihe hintereinander angeordnet werden, von welchen wenigstens eine Spule 16 eine bezüglich einer anderen Spule 4 redundante Spule ist. Damit ist die Funktion der induktiven Sensoreinrichtung 1 auch dann gewährleistet, wenn die andere Spule 4 ausfällt. Im vorliegenden Fall sind zwei Spulen 4, 16 vorgesehen, in deren Spulenkörperöffnungen 8 der Spulenkern 6 eintaucht bzw. sie durchragt und von welche eine Spule 16 eine in Bezug zur anderen Spule 4 redundante Spule darstellt.

1: Senoreinrichtung
2: Spulenkörper
4: Spule
6: Spulenkern
8: Spulenkörperöffnung
10: Abschnitt
12: Abschnitt
14: Abschnitt
16: Spule

Claims

Induktive Sensoreinrichtung (1) mit zumindest einer elektrischen Spule (4, 16), wobei ein entsprechend einem zu messenden Weg oder Winkel verstellbarer, in die Spule (4, 16) eintauchender Spulenkern (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (6) einen Abschnitt (10) aufweist, welcher sich ausgehend von einem einerseits angrenzenden Abschnitt (12) konstanten Querschnitts in Spulenkernlängsrichtung gesehen stufenweise oder stetig bis zu einem andererseits angrenzenden Abschnitt (14) konstanten Querschnitts verjüngt.
Induktive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Spulenkerns (6) zylindrisch und die verjüngte Abschnitt (10) konisch ausgebildet ist.
Induktive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spulen (4, 16) in Reihe hintereinander angeordnet sind, von welchen wenigstens eine Spule (16) eine bezüglich einer anderen Spule (4) redundante Spule ist.
Induktive Sensoreinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Messung einer Pedalstellung eines Fahrzeugpedals eines Fahrzeugs vorgesehen ist.
Induktive Sensoreinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern aus einem ferromagnetischem Material oder aus Aluminium besteht.