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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen
Erfassung der relativen Drehposition zwischen einem ersten Körper
und einem zweiten Körper in Bezug auf eine Drehachse mit
Hilfe eines induktiven, einen Rotor und einen Stator umfassenden
Positionssensors, der wenigstens ein die Induktivität wenigstens
einer mit dem Rotor oder dem Stator verbundenen Spule beeinflussendes,
mit dem Stator oder dem Rotor verbundenes Beeinflussungselement
sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist, gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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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.
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Das
Messprinzip solcher Messeinrichtungen basiert beispielsweise darauf,
dass wenigstens eine elektrische Spule mit mindestens einem Kondensator einen
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.
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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
fährt zu einem Stromfluss in dem Beeinflussungselement.
Dieser Stromfluss im Beeinflussungselement hat seinerseits ein elektromagnetisches
Wechselfeld zur Folge, das sich dem durch die Spule erzeugten Wechselfeld überlagert und
in einer Änderung der Induktivität der Spule und somit
in einer messbaren Änderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises
resultiert.
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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.
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Ein
beispielsweise durch Achsspiel bewirktes Verkippen des Beeinflussungselements
in Bezug zu einer Ebene senkrecht zur Drehachse resultiert dann
in einer Änderung der Position des Beeinflussungselements
im Magnetfeld der betreffenden, durch den Umschalter gerade gewählten
Spule, 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.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass eine gerade Anzahl von
wenigstens vier, mit Spulenachsen parallel zur Drehachse kreisförmig
um die Drehachse angeordneten Spulen vorgesehen ist, 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.
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Diese
Maßnahmen haben dann 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.
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Die
Messeinrichtung gemäß der Erfindung 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.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch
1 angegebenen Erfindung möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen wenigstens
teilweise kreissektorförmig ausgebildet und in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet angeordnet, wobei wenigstens einige der
kreissektorförmigen Spulen den gleichen Zentriwinkel aufweisen
und in Umfangsrichtung äquidistant beabstandet angeordnet
sind.
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Das
Beeinflussungselement weist vorzugsweise kreissektorförmige
Abschnitte mit gegenüber den Spulen identischem Zentriwinkel
auf, welche in Umfangsrichtung derart äquidistant beabstandet
angeordnet sind, dass sich jeweils zwei kreissektorförmige
Abschnitte mit einem Spulenpaar überdecken können.
Dann erhält man für jedes Spulenpaar eine lineare
Kennlinie für die gemessene Eigenfrequenz des zugeordneten
Schwingkreises.
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Gemäß einer
besonders zu bevorzugenden Weiterbildung ist wenigstens eine Drahtwicklung
wenigstens einer der Spulen in einer Ebene parallel zu dem Beeinflussungselement
angeordnet und spiral- oder miranderförmig ausgebildet.
Hierdurch ergibt sich eine sehr flache Spule, welche sich insbesondere
für Anwendungen in Messeinrichtungen für Fahrzeuge
eignet, bei welchen in Regel wenig freier Bauraum zur Verfügung
steht.
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Zur
Erhöhung der Induktivität einer Spule durch eine
Erhöhung der Anzahl von Drahtwindungen zur Verbesserung
des Signalrauschverhaltens kann gemäß einer Weiterbildung
eine Spule mehrere in zueinander parallelen Ebenen und koaxial angeordnete
spiral- oder miranderförmige Drahtwicklungen aufweisen,
welche miteinander elektrisch verbunden sind.
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Dies
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem wenigstens
eine Trägerplatte vorgesehen wird, welche beidseitig jeweils
wenigstens eine ebene, spiral- oder miranderförmige Drahtwicklung
trägt, wobei die beidseitig der Trägerplatte angeordneten
und koaxialen Drahtwicklungen jeweils einer Spule zugeordnet sind.
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In
Fortführung dieses Gedankens können mehrere miteinander
verbundene Trägerplatten in Multi-Layer-Technik vorgesehen
sein, welche jeweils durch eine Isolierschicht voneinander getrennt
sind, wobei aber die einer Spule zugeordneten Drahtwicklungen miteinander
elektrisch verbunden sind. Auf einer äußeren,
vom Beeinflussungselement weg weisenden Trägerplatte können
dann Leiterbahnen und elektrische und/oder elektronische Bauelemente
der Auswerteeinrichtung angeordnet sein.
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Beispielsweise
ist das Beeinflussungselement plattenförmig ausgebildet
und bildet den Rotor, der relativ zu der wenigstens einen, den Stator
bildenden Trägerplatte um die Drehachse in einer parallelen
Ebene verdrehbar ist. Dann ist die Stromversorgung der auf dem Stator
befindlichen Spulen besonders einfach.
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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.
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Der
genaue Aufbau der Messeinrichtung wird anhand der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen klar.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 einen
schematischen Schaltplan einer Messeinrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Draufsicht auf einen Positionssensor der Messeinrichtung von 1;
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3 eine
Draufsicht auf eine Drahtwicklung einer Spule des Positionssensors
von 2;
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4 eine
Kennlinie des Positionssensors von 2;
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5 eine
Draufsicht auf einen weiteren Positionssensor der Messeinrichtung
gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine
Kennlinie des Positionssensors von 5;
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7 eine
Explosionsquerschnittsdarstellung eines Positionssensor;
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8 eine
Querschnittsdarstellung des Positionssensors von 7 entlang
der Linie VIII-VIII von 9;
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9 eine
Draufsicht auf den Positionssensor von 8;
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10 eine
Ansicht von unten auf den Positionssensor von 7.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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Genauer
sind eine gerade Anzahl von wenigstens vier, mit Spulenachsen 10a, 12a, 14a, 16a (siehe 9)
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.
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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 24 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 einen 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.
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Die
bevorzugte Auswertung einer Frequenzänderung erfolgt dadurch,
dass beispielsweise jeder Schwingkreis einen eigenen Zähler 32, 34, 36 aufweist,
welcher Bestandteil der Auswerteeinrichtung 24 ist. In
die Zähler 32, 34, 36 sind jeweils
invertierende Verstärker zur Ausbildung eines Oszillators
integriert. Sie zählen die Anzahl N der Schwingungen des
jeweiligen Schwingkreises innerhalb einer vorgegebenen Zeit und übermitteln
diese an einen Mikrocomputer 38 als Teil der Auswerteeinrichtung 24,
welche daraus den Drehwinkel β des Beeinflussungselements 22 in
Bezug zum Stator 8 errechnet.
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Wie
aus 2 hervorgeht, sind die Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 in
einer Ebene senkrecht zur jeweiligen Spulenachse 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, hier bezogen auf die jeweilige das Zentrum der
Spule bildenden Spulenachse vorzugsweise um jeweils 60 Grad zueinander
versetzt, wobei sie beispielsweise den gleichen Zentriwinkel α aufweisen.
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Das
Beeinflussungselement 22 ist vorzugsweise plattenförmig
ausgebildet und weist kreissektorförmige Abschnitte 40, 42, 44, 46,
mit gegenüber den Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 identischem
Zentriwinkel α 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.
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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/nR,
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.
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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
spiral- oder miranderförmig ausgebildet, wie aus 3 am
Beispiel der Spule 10 hervorgeht. Dabei weist eine Spule 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 vorzugsweise
mehrere solcher, in zueinander parallelen Ebenen und koaxial angeordnete
spiral- oder miranderförmige Drahtwicklungen 10b, 12b bzw. 14b, 16b bzw. 18b, 20b auf, welche
miteinander elektrisch verbunden sind.
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7 zeigt
eine Explosionsquerschnittsdarstellung eines Stators 8 des
Positionssensors 4, welcher mehrere in zueinander parallelen
Ebenen und koaxial angeordnete spiral- oder miranderförmige 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 (EMV) 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.
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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.
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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.
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.
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.
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Alternativ
lassen sich die Geometrien der Spulen 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 und
des Beeinflussungselements 22 so gestalten, dass sich statt
einer linearen Kennlinie jeweils ein Sinus- und Kosinussignal in
Abhängigkeit vom Drehwinkel β einstellt. Dies
ist beispielsweise bei vier Spulen mit einem Umfangsabstand von
90 Grad der Fall (siehe Ausführung gemäß 9).
Für die Auswertung wird dann vorzugsweise der Tangens beispielsweise
aus dem Sinussignal sin (β) des einen Spulenpaares 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 und
dem Kosinussignal cos (β) des anderen Spulenpaares 10, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18, 20 herangezogen: 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.
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Für
den Arcustangens des Drehwinkels β gilt dann: arctan (β) = arctan (sin (β)/cos
(β)) (2)oder: β = arctan (sin (β)/cos (β)) (3)
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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