DE102011085740A1

DE102011085740A1 - Induktiver Wegsensor

Info

Publication number: DE102011085740A1
Application number: DE102011085740A
Authority: DE
Inventors: Hilmar Müller; Martin Haverkamp; Sören Lehmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: EP2773922A1; US20140298785A1; WO2013064651A1; CN103906995A; KR20140097297A

Abstract

Induktiver Wegsensor (4) umfassend eine Spule (38) und ein in einer Bewegungsrichtung (8) relativ zur Spule (38) bewegliches Target (36), wobei eine Induktivität (48) der Spule (38) von einer relativen Lage des Targets (36) zur Spule (38) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spule (38) und das Target (36) in der Bewegungsrichtung (8) wenigstens teilweise überlappen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Wegesensor nach Anspruch 1, einen Hauptzylinder nach Anspruch 5, ein Fahrzeug nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
Wie aus der DE 40 04 065 A1 bekannt, werden zur Messung der Position eines Druckkolbens in einem Hauptzylinder Wegesensoren eingesetzt.
Dazu könnten beispielsweise Wirbelstromsensoren herangezogen werden, wie sie beispielsweise aus der DE 196 31 438 A1 bekannt sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wegsensor in einem Hauptzylinder zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht davon aus, dass in einem herkömmlichen Hauptzylinder die Position des Druckkolbens über die Bewegung eines Magneten gegenüber eines oder mehrerer Sensoren erfasst werden könnte. Dieser Magnet ist jedoch platzintensiv. Zudem hängt das Messprinzip von den dem Magneten innewohnenden Magnetfeld ab, dass nicht dauerhaft beständig, da es über die Zeit geschwächt wird. Zwar könnte ein Elektromagnet diesen Nachteil überwinden, dieser würde jedoch den Aufbau technisch verkomplizieren. Zudem sind die einzelnen das Messprinzip realisierenden Komponenten teuer.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass ein Wirbelstromsensor durch kostengünstige Materialien auf engstem Raum platzsparend aufgebaut werden kann, da weder ein Magnet noch ein entsprechender Magnetträger notwendig ist. Zudem ist das den Wirbelstromsensor zugrundeliegende physikalische Messprinzip nicht von den den Komponenten zugrundliegenden inhärenten physikalischen Eigenschaften sondern von der Speisung aus einer externen Energiequelle, wie zum Beispiel aus einer Oszillatorschaltung, abhängig, so dass der Wirbelstromsensor weniger Alterserscheinungen, wie Ausfälle zeigt.
Mit einem herkömmlichen Wirbelstromsensor wird jedoch in der Regel der Abstand zwischen einer Spule und einem entsprechenden Messobjekt, Target genannt, gemessen. Diese Abstandsmessung bedingt jedoch, dass auch der herkömmliche Wirbelstromsensor sehr viel Platz in Anspruch nimmt, da allein die Erzeugung des Magnetfeldes durch die Spule selbst sehr raumeinnehmend ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, nicht den Abstand zwischen einer Spule und dem Target zu messen, sondern zu bestimmen, inwieweit sich ein Target und eine Spule in Bewegungsrichtung des Targets gesehen überlappen. Dieser Gedanke geht von der Erkenntnis aus, dass das Target die magnetischen Eigenschaften auch innerhalb einer Spule verändert, und dass diese Änderung anhand der Induktivität der Spule messbar ist.
Die Erfindung gibt daher einen induktiven Wegsensor umfassend eine Spule und ein in einer Bewegungsrichtung relativ zur Spule bewegliches Target an. Dabei ist eine Induktivität der Spule von einer relativen Lage des Targets zur Spule abhängig. Erfindungsgemäß überlappen sich dabei die Spule und das Target in der Bewegungsrichtung wenigstens teilweise.
Durch die Überlappung der Spule und des Targets kann der Wirbelstromsensor nicht nur auf kleinsten Raum realisiert werden, es lassen sich auch präzisere Messergebnisse erreichen, da die Empfindlichkeit des Sensors steigt, je näher das Target an der Spule angeordnet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Spule eine Planarspule. Durch die Planarspule kann der Wirbelstromsensor weiter verkleinert werden. In diesem Fall kann das Target in Bewegungsrichtung der Planarspule gesehen parallel zu dieser angeordnet werden, wobei das Target zur Messung in Bewegungsrichtung über die Planarspule geschoben werden kann. Auf diese Weise überdecken sich die Planarspule und das Target auf einer Überdeckungsfläche, deren Größe von der Lage des Targets zur Planarspule abhängig ist. Von der Größe dieser Überdeckungsfläche abhängig ist dann die Induktivität der Planarspule.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Planarspule aus Leiterbahnen einer mit der Planarspule elektrisch verbundenen Schaltung zum Erfassen der Induktivität und zum Ausgeben eines von der Induktivität der Planarspule abhängigen Signals gebildet. Auf diese Weise kann die Planarspule direkt auf die Schaltung durch reine Ausbildung der Leiterbahnen aufgebracht werden. Auf diese Weise entfällt eine extra Spule für den Wirbelstromsensor, was die Größe des Wirbelstromsensors weiter reduziert. Zudem lassen sich Produktions- und Materialkosten sparen, da weder eine extra Spule angeschafft noch in einem extra Herstellungsschritt auf die Schaltung aufgebracht werden muss.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Isolierung zwischen der Spule und dem Target angeordnet. Diese Isolierung verhindert einen Kurzschluss der Elemente des Wegsensors und damit undefinierte Messzustände.
In einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Target aus einem Material mit elektrisch leitfähigen und/oder ferromagnetischen Eigenschaften hergestellt sein. Bei der Verwendung von Materialien mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, wird die Induktivität der Spule durch Wirbelströme verändert. Bei der Verwendung von Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise Weicheisen, wird die Induktivität der Spule durch die Veränderung ihrer magnetischen Eigenschaften verändert.
Die Erfindung gibt auch einen Hauptzylinder zum Erzeugen eines hydraulischen Druckes für eine hydraulische Bremsanlage basierend der Lage eines Bremspedals an. Der Hauptzylinder umfasst ein Gehäuse mit der hydraulischen Flüssigkeit, einen durch das Bremspedal in dem Gehäuse axial beweglichen Druckkolben und einen erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor zum Erfassen der axialen Stellung des Kolbens im Gehäuse.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der induktive Wegsensor an einer vom Druckkolben aus gesehenen Außenseite des Gehäuses ausgebildet. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Wegemessung mit einem Magneten dar, da hier die für das Messprinzip notwendigen Felder nicht mehr durch eine Wandung des Gehäuses hindurch übertragen werden müssen.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung weist der Druckkolben einen Flansch auf, der das Gehäuse überkragt und der zum Bewegen des Targets vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das Target direkt durch den Druckkolben bewegt werden, so dass die Lage, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Druckkolbens direkt aus den Messergebnissen des induktiven Wegesensors ableitbar sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Hauptzylinder ein Tandemhauptzylinder und lässt sich daher zur Erfüllung der gesetzlichen Normen zur Bereitstellung zweier unabhängig voneinander schaltbarer Bremskreise in einem Personenkraftwaren einsetzen.
Die Erfindung gibt auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hauptzylinder an.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Positionieren eines relativ zu einer Spule in einer Bewegungsrichtung beweglichen Targets in einem induktiven Wegesensor. Dabei ist die Induktivität der Spule von der relativen Lage der Spule zum Target abhängig. Erfindungsgemäß wird das Target derart positioniert, dass sich die Spule und das Target in Bewegungsrichtung wenigstens teilweise überlappen.
Weiterbildungen des Verfahrens können Verfahrensschritte sein, die die Merkmale der angegebenen Vorrichtung oder der Schaltung gemäß den Unteransprüchen sinngemäß realisieren.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
1 einen Tandemhauptzylinder mit dem erfindungsgemäßen induktiven Wegesensor, und
2 eine beispielhafte Schaltung zur Auswertung der Messergebnisse des erfindungsgemäßen induktiven Wegesensors zeigen.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen Tandemhauptmagneten 2 mit dem erfindungsgemäßen induktiven Wegesensor 4 zeigt.
Der Tandemhauptzylinder 2 weist ferner einen Druckkolben 6 auf, der in einer Bewegungsrichtung 8 in einem Gehäuse 10 beweglich angeordnet ist, wobei die Bewegung des Druckkolbens 6 durch ein nicht gezeigtes Fußpedal gesteuert werden kann. Der Druckkolben 6 selbst ist in einen Primärkolben 12 und einen Sekundärkolben 14 unterteilt, wobei der Primärkolben 12 einen Eingang des Gehäuses 10 verschließt und der Sekundärkolben 14 den Innenraum des Gehäuses 10 in eine Primärkammer 16 und eine Sekundärkammer 18 unterteilt. Im Bereich des Eingangs des Gehäuses 10 ist am Primärkolben 12 eine Sekundärmanschette 20 angeordnet, die den Innenraum des Gehäuses 10 von der Umgebungsluft isoliert. In den Innenraum des Gehäuses 10 hinein gesehen folgt nach der Sekundärmanschette 20 eine Primärmanschette 22, die einen Spalt zwischen dem Primärkolben 12 und einer Wand des Gehäuses 10 abdichtet. Eine Druckmanschette 24 am Sekundärkolben 14 isoliert den Druck der Primärkammer 16 vom Druck der Sekundärkammer 18. Ferner dichtet eine weitere Primärmanschette 26 am Sekundärkolben 14 einen Spalt zwischen dem Sekundärkolben 14 und der Wand des Gehäuses 10 ab. Der Primärkolben 12 ist gegen den Sekundärkolben 14 über eine erste Feder 28 abgestützt, während der Sekundärkolben 14 gegen einen Gehäuseboden über eine zweite Feder 30 abgestützt ist. Über einen ersten und zweiten Anschluss 32, 34 können entsprechend die Primärkammer 16 und die Sekundärkammer 18 mit nicht gezeigter Hydraulikflüssigkeit versorgt werden.
Da dem Fachmann die Funktionsweise eines Tandemhauptzylinders bekannt ist, soll auf eine detaillierte Darstellung dieser verzichtet werden.
Der erfindungsgemäße induktive Wegesensor 4 weist ein Target in Form eines Schiebers 36 auf, der in die Bildebene hinein betrachtet unter einer Planarspule 38 geschoben werden kann. Zum Schieben des Schiebers 36 weist der Primärkolben 12 einen Flansch 40 auf, an dem der Schieber 36 gegengelagert ist. Die Planarspule 38 ist aus mehreren Leiterbahnen auf einer Leiterplatte 42 gebildet, die eine in 2 gezeigte Schaltung 44 zur Auswertung der Induktivität der Planarspule 38 aufweist. Auf die Leiterplatte 42 mit der Planarspule 38 kann zum Schutz beispielsweise vor Schmutz ein Deckel 46 aufgelegt sein.
Es wird auf 2 Bezug genommen, die ein beispielshaftes Schaltbild der Schaltung 44 zeigt.
In der vorliegenden Ausführung ist die Schaltung 44 als LC-Gate-Oszillator ausgeführt. Dieser erzeugt basierend auf der Induktivität 48 der Planarspule 38 ein Ausgangssignal 49 mit einer von der Induktivität 48 abhängigen Frequenz über einen Parallelschwinkreis 50. Alternativ könnte die Induktivität mit anderen Oszillatoren, wie einem Meissner Oszillator, oder mit anderen Messprinzipien, wie beispielsweise eine Erfassung der Impedanz der Planarspule 38, bestimmt werden.
Der Parallelschwingkreis 50 in der gezeigten Schaltung 44 ist aus der Induktivität 48 der Planarspule 38 und einer Kapazität 52 zusammengesetzt. Die für einen Oszillator notwendige Verstärkung der erzeugte Schwingung 54 des Parallelschwingkreis 50 wird über einen ersten Inverter 56 und einen zweiten Inverter 58 realisiert. Die notwendige Rückkopplung auf den Parallelschwingkreis 50 erfolgt über einen Rückkopplungswiderstand 60 und eine Rückkopplungskapazität 62. Dabei bestimmt der Rückkopplungswiderstand 60 die Amplitude des Ausgangssignals 49 und somit die Leistungsaufnahme der Schaltung 44. Eine Filterkapazität 64 zwischen dem Parallelschwingkreis 50 und dem ersten Inverter 56 filtert Signalanteile mit tiefen Frequenzen, wie beispielsweise einen Offset. Der erste Inverter 56 bildet ferner mit einem weiteren Rückkopplungswiderstand 66 eine untergeordnete Rückkoppelschleife.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4004065 A1 [0002]
DE 19631438 A1 [0003]

Claims

Induktiver Wegsensor (4) umfassend eine Spule (38) und ein in einer Bewegungsrichtung (8) relativ zur Spule (38) bewegliches Target (36), wobei eine Induktivität (48) der Spule (38) von einer relativen Lage des Targets (36) zur Spule (38) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spule (38) und das Target (36) in der Bewegungsrichtung (8) wenigstens teilweise überlappen.
Induktiver Wegsensor (4) nach Anspruch 1, wobei die Spule (38) eine Planarspule ist.
Induktiver Wegsensor (4) nach Anspruch 2, wobei die Planarspule (38) aus Leiterbahnen einer mit der Planarspule (38) elektrisch verbundenen Schaltung (44) zum Erfassen der Induktivität (48) und zum Ausgeben eines von der Induktivität (48) der Planarspule (38) abhängigen Signals (49) gebildet ist.
Induktiver Wegsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Isolierung zwischen der Spule (38) und dem Target (36).
Hauptzylinder (2) zum Erzeugen eines hydraulischen Druckes für eine hydraulische Bremsanlage basierend auf der Stellung eines Bremspedals umfassend ein Gehäuse (10) mit der hydraulischen Flüssigkeit, einen durch das Bremspedal in dem Gehäuse (10) axial beweglichen Druckkolben (12) und einen induktiven Wegsensor (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Erfassen der axialen Stellung des Druckkolbens (12) im Gehäuse (10).
Hauptzylinder (2) nach Anspruch 5, wobei der induktive Wegsensor (4) an einer vom Druckkolben (12) aus gesehenen Außenseite des Gehäuses (10) ausgebildet ist.
Hauptzylinder (2) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Druckkolben (12) einen Flansch (40) aufweist, der das Gehäuse überkragt und zum Bewegen des Targets (36) vorgesehen ist.
Hauptzylinder (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, der ein Tandemhauptzylinder ist.
Fahrzeug umfassend einen Hauptzylinder (2) nach einem Ansprüche 5 bis 8.
Verfahren zum Positionieren eines relativ zu einer Spule (38) in einer Bewegungsrichtung (8) beweglichen Targets (36) in einem induktiven Wegesensor (4), wobei die Induktivität (48) der Spule (38) von der relativen Lage der Spule (38) zum Target (36) abhängig ist, gekennzeichnet durch Positionieren des Targets (36) derart, dass sich die Spule (38) und das Target (36) in Bewegungsrichtung (8) wenigstens teilweise überlappen.