DE102007037216A1

DE102007037216A1 - Spulenvorrichtung beinhaltend wenigstens eine elektrische Spule in Multi-Layer-Technik

Info

Publication number: DE102007037216A1
Application number: DE102007037216A
Authority: DE
Inventors: Harald Kazmierczak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: FR2919956A1; DE102007037216B4; IT1390981B1; CN101363707A; FR2919956B1; ITMI20081463A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenvorrichtung, beinhaltend wenigstens eine elektrische Spule mit auf wenigstens einem Spulenkörper gewickelten Drahtwicklungen. Die Erfindung sieht vor, dass der Spulenkörper mehrere parallel zueinander angeordnete und miteinander verbundene Trägerplatten (48, 50, 56) aufweist, von welchen wenigstens eine Trägerplatte (48, 50) einseitig oder beidseitig wenigstens eine ebene Drahtwicklung (10b, 12b, 14b, 16b) einer Spule (10, 12, 14, 16) trägt, wobei wenigstens einige der Trägerplatten (48, 50, 56) durch jeweils eine Isolierschicht (54) gegeneinander isoliert, jedoch die der Spule (10, 12, 14, 16) zugeordneten Drahtwicklungen (10b, 12b, 14b, 16b) verschiedener Trägerplatten (48, 50) miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Spulenvorrichtung beinhaltend wenigstens eine elektrische Spule mit auf wenigstens einen Spulenkörper gewickelten Drahtwicklungen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der relativen Position zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper mit Hilfe eines induktiven Positionssensors, welcher wenigstens ein die Induktivität einer Spulenvorrichtung beeinflussendes Beeinflussungselement sowie eine Auswerteeinrichtung beinhaltet, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Eine solche Messeinrichtung ist in verschiedenen Systemen des Fahrzeugbereichs verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen, wie beispielsweise in einem Drosselklappengeber, in einem Gaspedalwertgeber, in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber, einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs oder einem Gasdrehgriff eines Motorrads.
Das Messprinzip solcher Messeinrichtungen basiert beispielsweise darauf, dass wenigstens eine elektrische Spule mit mindestens einem Kondensator eine Schwingkreis bildet, wobei sich die Eigenfrequenz des Schwingkreises abhängig von der relativen Drehposition des Beeinflussungselements in Bezug zur Spule ändert. Eine Auswerteeinrichtung berechnet dann aus der jeweils gemessenen Eigenfrequenz des Schwingkreises eine Drehwinkellage des Beeinflussungselements in Bezug zur Spule.
Im Einzelnen erzeugt dabei die wenigstens eine Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld, das in dem Beeinflussungselement nach dem Induktionsgesetz zunächst eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung führt zu einem Stromfluss in dem Beeinflussungselement. Dieser Stromfluss im Beeinflussungselement hat seinerseits ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Folge, das dem durch die Spule erzeugten Wechselfeld entgegengerichtet ist und in einer Änderung der Induktivität der Spule und somit in einer messbaren Änderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises resultiert.
Eine gattungsgemäße Messeinrichtung ist aus der DE 103 52 351 A1 bekannt, wobei zur Messung des Drehwinkels des Beeinflussungselements mehrere Spulen kreisförmig angeordnet sind und mittels eines Umschalters die einzelnen Spulen zeitlich nacheinander mit einem Kondensator verbunden werden und die Impedanz der durch den Umschalter ausgewählten Spule durch eine Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von der Position des Beeinflussungselements relativ zur betreffenden Spule gemessen wird, wobei die vorgenannten Schritte so oft wiederholt werden, bis durch den Umschalter alle Spulen nacheinander angewählt, d. h. nacheinander mit dem Kondensator verbunden worden sind und die Impedanz aller Spulen gemessen worden ist.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin gattungsgemäße Spulenvorrichtungen in Messeinrichtungen mit induktiven Positionssensoren bekannt, beispielsweise aus der GB 2 062 237 A , bei welchen die Spulen einen länglichen, zylindrischen Spulenkörper beinhalten, auf den Drahtwicklungen in mehreren Schichten übereinander aufgewickelt sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Spulenkörper der Spulenvorrichtung mehrere parallel zueinander angeordnete und miteinander verbundene Trägerplatten aufweist, von welchen wenigstens eine Trägerplatte einseitig oder beidseitig wenigstens eine ebene Drahtwicklung einer Spule trägt, wobei wenigstens einige der Trägerplatten durch jeweils eine Isolierschicht gegeneinander isoliert, jedoch die der Spule zugeordneten Drahtwicklungen verschiedener Trägerplatten miteinander elektrisch verbunden sind.
Wenn die Trägerplatten entsprechend dünn aufgebaut sind und die Drahtwicklungen beispielsweise auf die Trägerplatten geätzt sind, ergibt sich eine sehr flache, auf mehrere Lagen verteilte Spule, welche sich insbesondere für Anwendungen in Messeinrichtungen für Fahrzeuge eignet, bei welchen in Regel wenig freier Bauraum zur Verfügung steht. Weiterhin ist die Spulenvorrichtung modular aufgebaut, d. h. durch Hinzufügen bzw. Weglassen standardisierter Trägerplatten mit jeweils von ihnen getragenen Drahtwicklungen können Spulen mit unterschiedlicher Induktivität aufgebaut werden. Insbesondere zur Erhöhung der Induktivität einer Spule durch eine Erhöhung der Anzahl von Drahtwicklungen bzw. Trägerplatten kann das Signalrauschverhalten verbessert werden, wenn die Spulenvorrichtung in einem induktiven Positionssensor eingesetzt wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Besonders bevorzugt sind die ebenen Drahtwicklungen spiralförmig ausgebildet, denkbar sind jedoch beliebige Wickelformen wie beispielsweise auch elliptische Formen. Wenn insbesondere die einer Spule zugeordneten ebenen Drahtwicklungen auf den Trägerplatten koaxial angeordnet sind, ergibt sich eine Spule mit definierter Spulenachse.
Für verschiedene, nachfolgend beschriebene Anwendungen einer Spulenvorrichtung gemäß der Erfindung kann es günstig sein, wenn auf den Trägerplatten die Drahtwicklungen mehrerer elektrischer Spulen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Spulenachsen der Spulen parallel zueinander sind. Dies erhöht darüber hinaus die Kompaktheit der Spulenvorrichtung.
Besonders bevorzugt sind auf wenigstens einer Trägerplatte der Spulenvorrichtung Leiterbahnen und/oder elektronische Bauelemente einer elektronischen Schaltung angeordnet, wobei zwischen der die elektronische Schaltung tragenden Trägerplatte und wenigstens einer benachbarten Trägerplatte aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit eine Schicht aus abschirmendem Material angeordnet sein kann.
Die Trägerplatten können insbesondere durch Pressen zu einer integrierten Baueinheit gefügt werden, welche neben den Spulen die elektronische Schaltung beinhaltet, die beispielsweise eine elektronische Auswerteeinrichtung ist, welche auf der Basis der Spulen erzeugte elektrische Signale auswertet.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung nach Anspruch 10 wird die erfindungsgemäße Spulenvorrichtung in einer Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der relativen Position zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper mit Hilfe eines induktiven Positionssensors eingesetzt. Dieser Positionssensor beinhaltet wenigstens ein die Induktivität der Spulenvorrichtung beeinflussendes Beeinflussungselement sowie eine Auswerteeinrichtung. Dabei ist die Auswerteeinrichtung beispielsweise auf einer äußeren Trägerplatte der Spulenvorrichtung an der nach außen weisenden Seite angeordnet und bildet die oben erwähnte elektronische Schaltung. In vorteilhafter Weise umfasst dann die Messeinrichtung eine sehr flach bauende integrierte Baueinheit aus Spulen und Auswerteeinrichtung.
Das Messprinzip basiert dabei bevorzugt darauf, dass wenigstens eine Spule der Spulenvorrichtung zusammen mit wenigstens einem Kondensator einen Schwingkreis bildet, anhand dessen Frequenz die Auswerteeinrichtung die relative Position der beiden Körper bestimmt. Dabei ist der Kondensator vorzugsweise bereits in die Auswerteeinrichtung integriert und auf der äußeren Trägerplatte angeordnet, was ebenfalls Bauraum spart.
Besonders bevorzugt erfasst die Messeinrichtung die relative Drehposition zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper in Bezug auf eine Drehachse mit Hilfe des induktiven, einen Rotor und einen Stator umfassenden Positionssensors, wobei die Spulenvorrichtung mit dem Stator und das Beeinflussungselement mit dem Rotor verbunden ist. Dadurch gestaltet sich die Stromversorgung der Spulenvorrichtung sehr einfach. Beispielsweise ist das Beeinflussungselement plattenförmig ausgebildet und bildet den Rotor, der relativ zu der den Stator bildenden Spulenvorrichtung um die Drehachse in einer parallelen Ebene verdrehbar ist, was eine flache, kompakte Bauform der Messeinrichtung bedingt, weshalb sie sich als Drehwinkelsensor in Kraftfahrzeugen eignet.
Bei einer Messeinrichtung gemäß der DE 103 52 351 A1 würde ein beispielsweise durch Achsspiel bewirktes Verkippen des Beeinflussungselements in Bezug zu einer Ebene senkrecht zur Drehachse in einer Änderung der Position des Beeinflussungselements im Magnetfeld der betreffenden, durch den Umschalter gerade gewählten Spule resultieren, was wiederum ein verändertes Messergebnis hervorruft, weil sich dadurch die Eigenfrequenz des der Spule zugeordneten Schwingkreises ändert, obwohl sich die Drehlage des Beeinflussungselements nicht verändert hat.
Gemäß einer Weiterbildung ist demgegenüber eine gerade Anzahl von wenigstens vier, mit Spulenachsen parallel zur Drehachse kreisförmig um die Drehachse angeordneten Spulen vorgesehen, von welchen jeweils zwei Spulen miteinander elektrisch gekoppelt sind und jeweils ein ein separates Ausgangssignal für die Auswerteeinrichtung lieferndes Spulenpaar bilden, wobei die Spulen eines Spulenpaares in Bezug auf die Drehachse diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Jedes Spulenpaar bildet vorzugsweise zusammen mit wenigstens einem Kondensator einen Schwingkreis, anhand dessen Frequenz die Auswerteeinrichtung die relative Drehposition der beiden Körper bestimmt.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass ein Verkippen des Rotors oder des Stators des Positionssensors in eine von einer parallelen Lage abweichenden Lage eine Signalveränderung in der einen Spule eines Spulenpaars auslöst, welche durch die Signalveränderung in der anderen Spule des Spulenpaars kompensiert wird, so dass ein solches Verkippen keine Auswirkungen auf das Messergebnis hat.
Eine solche Messeinrichtung ist daher robust und eignet sich daher besonders für den Einsatz in Fahrzeugen, in denen es aufgrund von Schwingungen und äußerer Krafteinwirkung nicht vermieden werden kann, dass Kräfte auf einen oder beide Körper einwirken, welche zu Achsfehlern bzw. zum Verkippen des Rotors oder Stators des Positionssensors führen, wie dies beispielsweise bei Fußpedalen in Kraftfahrzeugen oder bei Gasdrehgriffen von Motorrädern der Fall ist, wo dem Drehmoment um die Drehachse zusätzlich oft ein von den Betätigungskräften herrührendes Biegemoment überlagert ist.
Nicht zuletzt ist das Beeinflussungselement vorzugsweise wenigstens teilweise aus einem paramagnetischen und/oder aus einem diamagnetischen Material wie beispielsweise Kupfer gefertigt. Dann wird die bei ferromagnetischen Materialien auftretende induktive Kopplung vermieden, wobei bei einer größer werdenden Überdeckung des Beeinflussungselements mit der jeweiligen Spule die Induktivität der Spule reduziert und sich demzufolge die Eigenfrequenz des betreffenden Schwingkreises erhöht.
Der genaue Aufbau der Spulenvorrichtung bzw. der Messeinrichtung wird anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen klar.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 einen schematischen Schaltplan einer Messeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf einen Positionssensor der Messeinrichtung von 1;
3 eine Draufsicht auf eine Drahtwicklung einer Spule des Positionssensors von 2;
4 eine Kennlinie des Positionssensors von 2;
5 eine Draufsicht auf einen weiteren Positionssensor der Messeinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 eine Kennlinie des Positionssensors von 5;
7 eine Explosionsquerschnittsdarstellung eines Positionssensor;
8 eine Querschnittsdarstellung des Positionssensors von 7;
9 eine Draufsicht auf den Positionssensor von 8;
10 eine Ansicht von unten auf den Positionssensor von 7.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung 1 zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels wird beispielsweise zur Messung des Betätigungswinkels eines aus Maßstabsgründen nicht gezeigten elektronischen Fahrpedals eines Fahrpedalmoduls verwendet. Darüber hinaus ist eine solche Messeinrichtung 1 in verschiedenen Systemen verwendbar, in denen Drehwinkel gemessen werden müssen, im Fahrzeugbereich beispielsweise in einem Drosselklappengeber, in einem Gaspedalwertgeber in einem Pedalmodul, in einem Karosserieeinfederungsgeber, in einem Winkelaufnehmer eines Scheibenwischerantriebs oder in einem Gasdrehgriff eines Motorrads.
Die Messeinrichtung 1 dient folglich allgemein zur berührungslosen Erfassung der relativen Drehposition zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper in Bezug auf eine Drehachse 2 mit Hilfe eines Positionssensors 4. Der Positionssensor 4 beinhaltet allgemein wenigstens einen Rotor 6 und einen Stator 8, wobei wenigstens ein die Induktivität wenigstens einer mit dem Rotor 6 oder dem Stator 8 verbundenen Spule 10, 12, 14, 16 18, 20 beeinflussendes, mit dem Stator 8 oder dem Rotor 6 verbundenes Beeinflussungselement 22 sowie eine Auswerteeinrichtung 24 vorgesehen sind.
Das vorzugsweise plattenförmige Beeinflussungselement 22 bildet dann beispielsweise den Rotor 6, der beispielsweise mit einem gegenüber einem stationären Lagerbock drehbar gelagerten Fahrpedal drehfest verbunden ist. Dann ist der Stator 8 mit dem Lagerbock des Fahrpedals verbunden. Der Stator 8 trägt vorzugsweise die um die Drehachse 2 koaxial kreisförmig angeordneten Spulen 10, 12, 14, 16 18, 20.
Genauer sind eine gerade Anzahl von wenigstens vier, mit Spulenachsen 10a, 12a, 14a, 16a, 18a und 20a parallel zur Drehachse 2 kreisförmig um die Drehachse 2 angeordneten Spulen 10, 12, 14, 16 18, 20 vorgesehen, von welchen jeweils zwei Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 miteinander elektrisch gekoppelt sind und jeweils ein ein separates Ausgangssignal für die Auswerteeinrichtung 24 lieferndes Spulenpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 bilden, wobei die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 eines Spulenpaares in Bezug auf die Drehachse 2 diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Das Messprinzip der Messeinrichtung 1 beruht darauf, dass jedes Spulenpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 der vorzugsweise sechs Spulen mit einem zugeordneten Kondensator 26, 28, 30 einen eigenen Schwingkreis bildet, wobei sich die Eigenfrequenz des jeweiligen Schwingkreises abhängig von der relativen Drehposition des Beeinflussungselements 22 in Bezug zum betreffenden Spulenpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 ändert. Die Auswerteeinrichtung 22 berechnet dann aus der jeweils gemessenen Eigenfrequenz der Schwingkreise einen Drehwinkel β des Beeinflussungselements 22 in Bezug zu den Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20. Im einzelnen erzeugen dabei die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 ein elektromagnetisches Wechselfeld, das in dem Beeinflussungselement 22 nach dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert. Wenn ein vorzugsweise wenigstens teilweise aus einem dia- oder paramagnetischen Material bestehendes Beeinflussungselement 22 verwendet wird, beispielsweise ein Beeinflussungselement 22 aus Kupfer, führt die induzierte Spannung zu einem Stromfluss in dem Beeinflussungselement 22. Dieser Stromfluss im Beeinflussungselement 22 hat seinerseits ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Folge, das den durch die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 erzeugten Wechselfeldern entgegengerichtet ist und in einer Verringerung der Induktivität der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 und somit in einer messbaren Vergrößerung der Eigenfrequenz der betreffenden Schwingkreise resultiert.
Die bevorzugte Auswertung einer Frequenzänderung erfolgt dadurch, dass beispielsweise jeder Schwingkreis einen eigenen Zähler 32, 34, 36 aufweist, welcher Bestandteil der Auswerteeinrichtung 22 ist. Die Zähler 32, 34, 36 zählen die Anzahl N der Schwingungen des jeweiligen Schwingkreises innerhalb einer vorgegebenen Zeit und übermitteln diese an einen Mikrocomputer 38 als Teil der Auswerteeinrichtung 22, welcher daraus den Drehwinkel β des Beeinflussungselements 22 in Bezug zum Stator 8 errechnet.
Wie aus 2 hervorgeht, sind die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 in einer Ebene senkrecht zur jeweiligen Spulenachse 10a, 12a bzw. 14a, 16a bzw. 18a, 20a gesehen kreissektorförmig ausgebildet, wobei jedoch ein zentraler Abschnitt jeweils ausgenommen ist. Die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 sind in Umfangsrichtung voneinander vorzugsweise äquidistant beabstandet angeordnet, wobei sie beispielsweise den gleichen Zentriwinkel α aufweisen.
Der Beeinflussungskörper 22 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und weist kreissektorförmige, mit gegenüber den Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 identischem Zentriwinkel α Abschnitte 40, 42, 44, 46 auf. Vorzugsweise ist die Anzahl der kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42, 44, 46 um zwei geringer als die Anzahl der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20. Die vier Abschnitte 40, 42, 44, 46 sind weiterhin in Umfangsrichtung derart äquidistant beabstandet angeordnet, dass sich jeweils zwei kreissektorförmige Abschnitte 40, 42, 44, 46 mit einem Spulenpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 überdecken können. Den axialen Abstand in Richtung der Drehachse 2 gesehen zwischen dem plattenförmigen Beeinflussungselement 22 und der in einer und hierzu parallelen Ebene angeordneten Stirnflächen der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 legt der Fachmann derart fest, dass das Beeinflussungselement 22 vom Magnetfeld der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 durchdrungen werden kann.
Die jeweils miteinander zu einem Spulenpaar elektrisch zusammen geschalteten Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 sind in 2 schematisch durch gepunktete, gestrichelte und strichpunktierte Linien kenntlich gemacht. Die identischen Zentriwinkel α der kreissektorförmigen Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 und der kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42, 44, 46 des Rotors 6 betragen beispielsweise π/4, die Periodizität der kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42, 44, 46 des Rotors 6 beispielsweise 2π/n_R, wobei R die Anzahl der Abschnitte 40, 42, 44, 46 ist. Besonders bevorzugt ist die Anzahl der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 eine gerade, durch drei teilbare Zahl.
Im weiteren ist jeweils eine Drahtwicklung 10b, 12b bzw. 14b, 16b bzw. 18b, 20b einer Spule 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 auf einer Trägerplatte 48, 50 in einer Ebene parallel zu dem Beeinflussungselement 22 angeordnet und spiralförmig ausgebildet, wie aus 3 hervorgeht. Dabei weist eine Spule 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 vorzugsweise mehrere solcher, in zueinander parallelen Ebenen und koaxial angeordnete spiralförmige Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b bzw. 18b, 20b auf, welche miteinander elektrisch verbunden sind.
7 zeigt eine Explosionsquerschnittsdarstellung einer Spulenvorrichtung als Stator 8 des Positionssensors 4, welcher mehrere in zueinander parallelen Ebenen und koaxial angeordnete spiralförmige Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b aufweist, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils eine Spule 10, 12 bzw. 14, 16 ausbilden. Bei dieser Ausführungsform gemäß 7 bis 10 sind nur vier Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 vorgesehen, von welchem wiederum jeweils zwei Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 ein Spulenpaar bilden, das zusammen mit wenigstens einem hier nicht gezeigten Kondensator und Zähler verschaltet ist. Im vorliegenden Fall von vier Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 ergeben sich daher zwei Schwingkreise mit zwei Spulenpaaren 10, 12 bzw. 14, 16 und zwei Kondensatoren.
Die Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b befinden sich auf den Oberflächen mehrerer, hier beispielsweise zweier, vorzugsweise kreisrunder Trägerplatten 48, 50. Die koaxialen, beidseitig einer Trägerplatte 48, 50 angeordneten Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b sind dann jeweils einer Spule 10, 12 bzw. 14, 16 zugeordnet. Insgesamt sind bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel daher je Spule vier Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b auf den beiden Trägerkörpern 48, 50 in parallelen Ebenen angeordnet. Die Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b sind in Form von Leiterbahnen aus Kupfer vorhanden und werden beispielsweise durch Ätzung von Epoxydplatten als Trägerplatten 48, 50 hergestellt.
9 zeigt eine Draufsicht auf den Stator 8, d. h. im vorliegenden Fall auf die obere, dem Beeinflussungselement 22 zugewandte Trägerplatte 48, auf deren freier Oberfläche die beispielsweise vier spiralförmigen Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b der vier Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 angeordnet sind. Bevorzugt sind alle Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b eben, spiralförmig und gleichsinnig gewickelt.
Die beiden Trägerplatten 48, 50 sind an den einander zugewandten Seitenflächen durch eine Isolierschicht 54 voneinander getrennt, um zu verhindern, dass sich ein Kurzschluss zwischen den sich andernfalls kontaktierenden Leiterbahnen ausbildet, wenn die Trägerplatten 48, 50 parallel aneinander gefügt werden. In Fortführung dieses Gedankens kann der Stator 8 eine beliebige Anzahl solcher jeweils mit Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b versehener Trägerplatten 48, 50 aufweisen, welche parallel aneinandergefügt und jeweils durch eine Isolierschicht 54 voneinander getrennt sind (Multi-Layer-Technik). Dabei sind die einer Spule 10, 12 bzw. 14, 16 zugeordneten Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b miteinander elektrisch verbunden, in Bezug auf eine Trägerplatte 48, 50 beispielsweise dadurch, dass die betreffende Trägerplatte 48, 50 Bohrungen für eine Durchführung von elektrischen Kontakten aufweist, welche die Drahtwicklung 10b, 12b bzw. 14b, 16b auf der einen Seite der Trägerplatte 48, 50 mit den Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b auf der anderen Seite der Trägerplatte verbinden.
Wie insbesondere aus 9 hervorgeht wird die erste Lage oder Schicht einer Spule 10, 12 bzw. 14, 16 positiv gewunden, d. h. der elektrische Anschluss ist radial außen angeordnet, wobei sich die Spirale der Drahtwicklung 10b, 12b bzw. 14b, 16b nach radial innen fortsetzt und beispielsweise mittels einer Bohrung in der Trägerplatte 48, 50 auf die andere Seite der Trägerplatte 48, 50 durchkontaktiert wird, um in eine wiederum spiralförmige Drahtwicklung 10b, 12b bzw. 14b, 16b mit gleichem Drehsinn zu münden, die von radial außen nach radial innen geführt wird. Von einer radial inneren Kontaktstelle wird dann der Spulendraht auf die benachbarte Trägerplatte 48, 50 geführt und mündet in eine neuerliche spiralförmige Drahtwicklung 10b, 12b bzw. 14b, 16b. Auf diese Art können eine beliebige Anzahl von Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b der Spule 10, 12 bzw. 14, 16 erzeugt werden, wobei sich mit der Anzahl der Schichten oder Lagen von Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b eine höhere Induktivität der Spule 10, 12 bzw. 14, 16 ergibt. Anstatt beidseitig können die Drahtwicklungen 10b, 12b, 14b, 16b auch nur auf einer Seite einer Trägerplatte 48, 50 oder auch wechselseitig angeordnet sein.
Wie 10 zeigt, sind auf der freien äußeren, vom Beeinflussungselement 22 weg weisenden Oberfläche einer weiteren Trägerplatte 56 ein Schaltungslayout 58 sowie Aufnahmen für elektrische und/oder elektronische Bauelemente 60 wie für die Kondensatoren und Zähler und/oder für weitere elektrische und/oder elektronische Bauelemente 60 der Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet. Zwischen dieser äußeren Trägerplatte 56, welche vorzugsweise keine Spulen trägt und der Spulen tragenden benachbarten Trägerplatte 50 ist wiederum eine Isolierschicht 54 sowie aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit vorzugsweise eine dünne Kupferschicht 64 angeordnet, damit die Funktion der elektronischen Bauelemente 60 nicht durch das von den Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 erzeugte elektrische Feld bzw. Magnetfeld beeinflusst wird. Die parallel und koaxial zueinander ausgerichteten Trägerplatten 48, 50, 56 werden vorzugsweise durch Pressen gefügt, so dass eine kompakte, dünne und integrierte Baueinheit 62 entsteht, wie sie in 8 gezeigt ist. Diese Baueinheit 62 beinhaltet folglich die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 zusammen mit den zugeordneten Schwingkreisen und die Auswerteeinrichtung 24.
Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des Positionssensors 4 wie folgt: Durch eine mittels einer Betätigung des Fahrpedals initiierte Drehung des Beeinflussungselements 22 um die Drehachse 2, beispielsweise in 2 in Richtung des Pfeils 66 gegen den Uhrzeigersinn, ergibt sich ein jeweils unterschiedlicher Überdeckungsgrad μ der kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42, 44, 46 des Beeinflussungselements 22 in Bezug zu den jeweiligen Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 wobei sich der Überdeckungsgrad μ von 0 (keine Überdeckung), beispielsweise in 2 das Spulenpaar 10, 12 mit der gestrichelten Umrandung, bis zum Überdeckungsgrad 1 (vollständige Überdeckung) erstreckt. Eine vollständige Überdeckung wenigstens einer der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 durch die Abschnitte 40, 42, 44, 46 des Beeinflussungselements 22 ist möglich, weil die Zentriwinkel α der kreissektorförmigen Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 mit den Zentriwinkeln α der kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42, 44, 46 vorzugsweise identisch sind und entsprechende Drehlagen existieren.
Je nach dem Überdeckungsgrad μ durch das Beeinflussungselement 22 erzeugen die Spulenpaare 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 folglich separate Ausgangssignale in Form einer Frequenzänderung. In 4 ist für den Positionssensor 4 von 2 das Kennlinienfeld dargestellt sind, wo der Überdeckungsgrad μ über dem Drehwinkel β für jedes Spulenpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 angetragen ist. Es ergeben sich für jedes Spulen- oder Sektorpaar 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 jeweils periodische und lineare Verläufe, welche sich jeweils zickzackförmig von 0 (keine Überdeckung) bis 1 (vollständige Überdeckung) erstrecken. Jedem Überdeckungsgrad μ entspricht dann eine Eigenfrequenz des jeweiligen Schwingkreises. Die Kennlinien in gepunkteter, gestrichelter und strichpunktierter Linie in 4 beziehen sich auf die analog gezeichneten Spulenpaare 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 in 2.
Im einzelnen liefern die Spulenpaare 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 Sinus- bzw. Kosinus-Signale in Abhängigkeit vom Drehwinkel β, wobei für die Auswertung der Tangens beispielsweise aus dem Sinussignal sin (β) eines Spulenpaares 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 und dem Kosinussignal cos (β) eines anderen Spulenpaares 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 herangezogen wird: tan (β) = A sin (β)/A cos (β) (1)wobei A die Signalamplitude ist, welche aus Gleichung (1) herausgekürzt werden kann, so dass die Versorgungsspannung, welche proportional zur Signalamplitude ist, in vorteilhafter Weise keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.
Für den Arcustangens des Drehwinkels β gilt dann: arctan (β) = arctan (sin (β)/cos (β)) (2)oder: β = arctan (sin (β)/cos (β)) (3)
Dabei sollten die Spulen 10, 12, 14, 16, 18, 20 nicht um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet und die Geometrie der Abschnitte 40, 42, 44, 46 des Rotors 6 von der Kreisform abweichen, weil dann die vorzugsweise geätzten Spulen für den obigen Algorithmus nicht geeignet sind.
Für jeden beliebigen Winkelwert β, der in 4 beispielsweise durch eine senkrechte Linie gekennzeichnet ist, erhält man einen Punkt 68 auf einer Kennlinie eines Spulenpaares 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20, wobei in diesem Punkt 68, nach Abzug eines Offsets, die Summe der Überdeckungsgradwerte der Kennlinien gleich Null ergibt oder innerhalb eines die Null beinhaltenden Toleranzbandes liegen muss. Falls daher diese Bedingung nicht erfüllt wird, was vorzugsweise durch entsprechende Kontrollroutinen der Auswerteeinrichtung 24 überprüft wird, so ist dies ein Hinweis darauf, dass eine fehlerhafte Messung und unter Umständen ein Defekt des Positionssensors 4 vorliegt. Dann kann entweder ein Notlaufprogramm gestartet oder der Positionssensor 4 außer Betrieb gesetzt werden.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Positionssensors 4 gezeigt, wobei gleich wirkende Baugruppen und Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind wie beim Ausführungsbeispiel von 2. Zwar sind bei der Ausführungsform von 5 ebenfalls sechs Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 in Form von drei Spulenpaaren vorhanden, jedoch beinhaltet das Beeinflussungselement 22 nur zwei sektorförmige Abschnitte 40, 42, wobei der Zentriwinkel α der beiden kreissektorförmigen Abschnitte 40, 42 neunzig Grad beträgt, während die Zentriwinkel α der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 nach wie vor π/4 betragen. Der Umfangsabstand der beiden Abschnitte 40, 42 beträgt 45 Grad. Die betreffenden Kennlinien dieser Ausführungsform sind in 6 gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10352351 A1 [0005, 0017]
- GB 2062237 A [0006]

Claims

Spulenvorrichtung beinhaltend wenigstens eine elektrische Spule mit auf wenigstens einen Spulenkörper gewickelten Drahtwicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper mehrere parallel zueinander angeordnete und miteinander verbundene Trägerplatten (48, 50, 56) aufweist, von welchen wenigstens eine Trägerplatte (48, 50) einseitig oder beidseitig wenigstens eine ebene Drahtwicklung (10b, 12b, 14b, 16b) einer Spule (10, 12, 14, 16) trägt, wobei wenigstens einige der Trägerplatten (48, 50, 56) durch jeweils eine Isolierschicht (54) gegeneinander isoliert, jedoch die der Spule (10, 12, 14, 16) zugeordneten Drahtwicklungen (10b, 12b, 14b, 16b) verschiedener Trägerplatten (48, 50) miteinander elektrisch verbunden sind.
Spulenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen Drahtwicklungen (10b, 12b, 14b, 16b) spiralförmig ausgebildet und gleichsinnig gewickelt sind.
Spulenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Spule (10, 12, 14, 16) zugeordneten ebenen Drahtwicklungen (10b, 12b, 14b, 16b) auf den Trägerplatten (48, 50) koaxial angeordnet sind.
Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Trägerplatten die Drahtwicklungen (10b, 12b bzw. 14b, 16b) mehrerer elektrischer Spulen (10, 12, 14, 16) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Spulenachsen (10a, 12a, 14a, 16a) der Spulen (10, 12, 14, 16) parallel zueinander sind.
Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtwicklungen (10b, 12b, 14b, 16b) in Form von Leiterbahnen aus Kupfer durch Ätzung von Epoxydplatten als Trägerplatten (48, 50) hergestellt sind.
Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Trägerplatten (48, 50) Bohrungen für eine Durchführung von elektrischen Kontakten aufweist, welche eine Drahtwicklung (10b, 12b, 14b, 16b) auf der einen Seite der Trägerplatte (48, 50) mit einer Drahtwicklung (10b, 12b bzw. 14b, 16b) auf der anderen Seite der Trägerplatte verbinden.
Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Trägerplatte (56) Leiterbahnen (58) und/oder elektronische Bauelemente (60) einer elektronischen Schaltung (24) angeordnet sind.
Spulenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der die elektronische Schaltung (24) tragenden Trägerplatte (56) und wenigstens einer benachbarten Trägerplatte (50) aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit eine Schicht (64) aus abschirmendem Material angeordnet ist.
Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (48, 50, 56) durch Pressen zu einer integrierten Baueinheit (62) gefügt sind.
Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der relativen Position zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper mit Hilfe eines induktiven Positionssensors (4), welcher wenigstens ein die Induktivität einer wenigstens eine Spule umfassenden Spulenvorrichtung beeinflussendes Beeinflussungselement (22) sowie eine Auswerteeinrichtung (24) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenvorrichtung eine Spulenvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (24) auf der einer äußeren Trägerplatte (56) der Spulenvorrichtung an der nach außen weisenden Seite angeordnet ist.
Messeinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Spule (10, 12, 14, 16) zusammen mit wenigstens einem Kondensator (26, 28) einen Schwingkreis bildet, anhand dessen Frequenz die Auswerteeinrichtung (24) die relative Position der beiden Körper bestimmt.
Messeinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine relative Drehposition zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper in Bezug auf eine Drehachse (2) mit Hilfe des induktiven, einen Rotor (6) und einen Stator (8) umfassenden Positionssensors (4) erfasst, wobei die Spulenvorrichtung mit dem Stator (8) und das Beeinflussungselement (22) mit dem Rotor (6) verbunden ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von wenigstens vier, mit Spulenachsen (10a, 12a, 14a, 16a, 18a, 20a) parallel zur Drehachse (2) kreisförmig um die Drehachse (2) angeordneten Spulen (10, 12, 14, 16, 18, 20) vorgesehen sind, von welchen jeweils zwei Spulen (10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20) miteinander elektrisch gekoppelt sind und jeweils ein ein separates Ausgangssignal für die Auswerteeinrichtung (24) lieferndes Spulenpaar bilden, wobei die Spulen (10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20) eines Spulenpaares in Bezug auf die Drehachse (2) diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussungselement (22) plattenförmig ausgebildet ist und relativ zur Spulenvorrichtung um die Drehachse (2) in einer parallelen Ebene verdrehbar ist.
Messeinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussungselement (22) wenigstens teilweise aus einem paramagnetischen und/oder aus einem diamagnetischen Material gefertigt ist.