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Stand der Technik
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 085 740 A1 offenbart einen induktiven Wegsensor umfassend eine Spule und ein in einer Bewegungsrichtung relativ zur Spule bewegliches Target, wobei eine Induktivität der Spule von einer relativen Lage des Targets zur Spule abhängig ist. Die Spule und das Target überlappen sich in der Bewegungsrichtung wenigstens teilweise.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung zweier Geberelemente umfasst wenigstens zwei Geberelemente so wenigstens ein Sensorelement. Erfindungsgemäß sind die Geberelemente derart am Sensorelement angeordnet, dass die Auslenkung der Geberelemente zueinander abhängig von einem Überdeckungsmaß leitender Bereiche der Geberelemente mittels des Sensorelements bestimmbar sind. Dazu bestehen die Geberelemente wenigstens aus einem Bereich einer leitenden Komponente sowie wenigstens einen Bereich einer nichtleitenden Komponente. Aufgrund der Tatsache, dass anhand des Überdeckungsmaßes die relative Auslenkung der Geberelemente mittels des Sensorelements bestimmt werden kann ist eine einfache und berührungslose Erfassung einer relativen Auslenkung der zwei Geberelemente möglich. Die Geberelemente können an beweglichen Bauteile montiert, oder in diese integriert sein. Mittels des Sensorelements kann dann die relative Auslenkung der beweglichen Bauteile über das Überdeckungsmaß der leitenden Bereiche der Geberelemente ermittelt werden. Derartige Bauteile können beispielsweise ein Verstärkerkörper sowie ein Eingangselement eines Bremskraftverstärker sein, bei dem die Relativauslenkung von Verstärkerkörper und Eingangselement zur Steuerung der Bremskraftverstärkung benötigt wird.
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Unter einem Bereich einer leitenden Komponente können Bereiche des Geberelements verstanden werden, welche beispielsweise aus Metall bestehen unter nichtleitenden Bereichen des Geberelements können beispielsweise Bereiche verstanden werden welche aus Plastik bestehen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung sind die Geberelemente derart angeordnet, dass sie sowohl gleichläufig miteinander als auch gegenläufig zueinander bewegbar sind. Auf diese Weise ist eine Relativauslenkung der Elemente möglich, welche bestimmt werden soll. Darüber hinaus kann eine gleichlaufende Bewegung, bei der sich die relative Auslenkung nicht ändert, ebenfalls unterschieden werden. Bei den zu vermessenden Bauteilen kann es Betriebssituationen geben, in denen Bauteile auch gemeinsam laufen, sich also nicht voneinander wegbewegen.
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In weiterer Ausgestaltung sind die Geberelemente horizontal in Bezug zu dem Sensorelement beweglich. Auf diese Weise kann das Sensorelement ortsfest bleiben, während dagegen sich die Geberelemente horizontal beweglich in Bezug zu dem feststehenden Sensorelement bewegen. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung der Elemente zueinander, welche darüber hinaus auch platzsparend ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Geberelemente vertikal zueinander versetzt und entweder über dem Sensorelement angeordnet, oder ober- und unterhalb des Sensorelements angeordnet. Auf diese Weise kann je nach vorliegendem Bauraum, der zum Verbau der Vorrichtung zur Verfügung steht, eine passende Anordnung der Geberelemente sowie des Sensorelements gewählt werden.
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In weiterer Ausgestaltung umfasst das Sensorelement wenigstens eine Spule. Die Spule ermöglicht durch ein induktives Meßprinzip die berührungslose Erfassung der Relativauslenkung der Geberelemente.
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In weiterer Ausgestaltung weisen die leitenden Bereiche der Geberelemente Oberflächen auf, welche dem Sensorelement zugewandt sind. Die leitenden Bereiche des ersten und zweiten Geberelements können im Wesentlichen gleiche Ausmaße aufweisen.
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Vorteilhaft ist, dass die Oberflächen der leitenden Bereiche im Wesentlichen gleiche Ausmaße wie die Oberflächen der wenigsten einen Spule aufweisen. Auf diese Weise kann einfach ein Signal erzeugt werden, wenn leitende Bereiche die Spule überdecken, deren Signale vom Überdeckungsmaß mit einem leitenden Bereich, sowie gegebenenfalls mit einem weiteren leitenden Bereich abhängen.
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In Ausgestaltung ist die wenigstens eine Spule Teil eines Schwingkreises. Der Schwingkreis hat eine Resonanzfrequenz. Durch Analyse der Resonanzfrequenz des Schwingkreises kann die Induktivität der Spule ermittelt werden. Da die Induktivität der Spule ein Maß für die Überlappung oder Überdeckung durch wenigstens einen leitenden Bereich eines Geberelements ist, kann auf diese Art über eine Auswertung des Schwingkreises eine Relativauslenkung elektronisch erfasst und ermittelt werden. Dabei ist das Überdeckungsmaß des Sensorelements durch die Geberelemente anhand der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelbar, wobei die Resonanzfrequenz von der Induktivität der Spule abhängt
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In Ausgestaltung der Erfindung sind die leitenden Bereiche der Geberelemente metallisch, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer, und die nicht leitenden Bereiche aus Kunststoff. Die nichtleitenden Bereiche können auch in Form von Aussparungen in einem Träger, beispielsweise einer Leiterplatte, für die leitenden Bereiche vorgesehen sein, beispielsweise in Form von Löchern. Ebenso können die nichtleitenden Bereiche durch den Träger selber gebildet werden, wobei die leitenden Bereich durch den Träger getragen oder gehalten werden, oder in diesen integriert sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Relativauslenkung zweier Geberelemente mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie mittels einer Steuereinheit umfasst die Schritte:
- – Ermitteln eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises
- – Zuordnen einer der Resonanzfrequenz entsprechenden Relativauslenkung
- – Ausgeben und/oder Speichern der entsprechenden Relativauslenkung.
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Zeichnungen
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung umfassend zwei Geberelemente sowie ein Sensorelement.
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2 zeigt einen Signalverlauf für unterschiedliche Relativauslenkungen der Geberelemente.
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3a–3c zeigen entsprechende Relativauslenkungen der Geberelemente.
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4 zeigt einen Schaltkreis zu Signalauswertung.
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5 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens.
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Offenbarung der Erfindung
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1 zeigt eine Sensoranordnung, umfassend zwei Geberelemente 1, 2. Eine Relativauslenkung der Geberelemente 1, 2 kann mittels eines Sensors 3 detektiert werden. In 1 wird eine Relativauslenkung mit der Größe d bezeichnet. Die Geberelemente 1, 2 sind zueinander beweglich angeordnet. Die Geberelemente 1 und 2 können derart angeordnet sein, dass sie oberhalb und unterhalb des Sensorelements 3 angeordnet sind. Alternativ können beide Geberelemente 1, 2 auch auf einer Seite des Sensorelements 3 angeordnet sein. Alternative Anordnungen mit anderer Spulengeometrie sind ebenfalls denkbar. Beispeilsweise wäre eine Anordnung eines Geberelements oberhalb, sowie eines weiteren Geberelements seitlich möglich.
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Das Sensorelement 3 sowie die Geberelemente 1, 2 sind parallel zueinander angeordnet. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement 3 ortsfest fixiert und die Sensorelemente 1, 2 sind zueinander beweglich. Im gezeigten Koordinatensystem der 1 sind die Geberelemente 1, 2 zueinander entlang der x-Richtung beweglich angeordnet.
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Jedes der Geberelemente 1, 2 weist eine Unterteilung auf. Die Unterteilung ist der Gestalt, dass die Geberelemente 1, 2 aus Bereichen einer leitenden Komponente 4a, 4b bestehen, sowie aus Bereichen einer nicht leitenden Komponente 5a, 5b. Unter Bereichen einer leitenden Komponente ist zu verstehen, dass diese Bereiche aus einem leitenden Material bestehen. Bereiche einer nicht leitenden Komponente 5a, 5b sind aus keinem, oder einem Material vorgesehen, welches nicht elektrisch leitend ist. Unter einer nicht leitenden Komponente aus keinem Material kann verstanden werden, dass in einem Träger Lücken gelassen werden. Der Träger kann die Komponenten aus leitendem Material tragen, wobei zwischen den leitenden Komponenten jeweils nichtleitende Komponenten angeordnet sind – in diesem Fall in Form von Lücken. Leitende Bereiche 4a, 4b können beispielsweise aus Aluminium oder aus Kupfer bestehen, nichtleitende Bereiche 5a, 5b aus Kunststoff.
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Es ist nicht erforderlich, dass die leitenden Bereiche 4a, 4b der Geberelemente 1, 2 aus demselben Material bestehen. Ebenso ist denkbar, dass der leitende Bereich 4a des zweiten Geberelements 2 ein anderes Material aufweist, als der leitende Bereich 4b des Geberelements 1. Es kommt lediglich darauf an, dass beide Bereiche elektrisch leitend sind.
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Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bereich einer leitenden Komponente 4a, 4b sowie wenigstens ein Bereich einer nicht leitenden Komponente 5a, 5b bei den Geberelementen 1, 2 vorhanden ist. Ebenso ist möglich, dass mehrere Bereiche leitender Komponenten 4a, 4b sowie mehrere Bereiche nicht leitender Komponenten 5a, 5b vorhanden sind. Die Bereiche der leitenden Komponente 4a, 4b und die Bereiche der nicht leitenden Komponenten 5a und 5b sind abwechselnd nebeneinander angeordnet. Die abwechselnde Anordnung kann linear vorgesehen sein.
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Das Sensorelement 3 besteht aus einer oder mehreren Sensorspulen 6. Die Sensorspulen 6 sind nebeneinander angeordnet. Die Sensorspulen 6 können linear nebeneinander angeordnet sein.
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Mit der vorliegenden Sensoranordnung kann eine Relativauslenkung d der Geberelemente 1, 2 zueinander ermittelt werden. Das zugrundeliegende Messprinzip basiert darauf, dass eine Überlappung der leitenden Bereiche 4a, 4b der Geberelemente 1, 2 in einer Spule 6 des Sensorelements 3 ein anderes Signal hervorrufen kann, als eine Überlappung des Sensorelements 6 mit einem leitenden Bereich 4a, 4b und einem entsprechenden nicht leitenden Bereich 5a, 5b der Sensorelemente 1, 2. Auch eine Überlappung mit lediglich nichtleitenden Bereichen 5a, 5b der Geberelemente 1, 2 ruft ein anderes Signal in der Spule 6 des Sensorelements hervor.
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Um eine Überlappung der leitenden Bereiche 4a, 4b mit entsprechenden nicht leitenden Bereichen 5a, 5b – ganz oder teilweise – vermessen zu können, müssen die Spulen 6 des Sensorelements 3 entsprechend dimensioniert sein. Da das zu vermessende Signal von einem Überlapp der Bereiche des ersten und zweiten Sensorelements abhängt, muss die Fläche der Spulen 6 des Sensorelements 3 wenigstens eine sensitive Fläche aufweisen, die der Größe der Bereiche 4a, b und 5a, b der Geberelemente 1 und 2 entspricht. Insbesondere müssen Projektionsflächen der Bereiche 4a, 4b, 5a, 5b auf dem Sensorelement 3 mittels einer Spule 6 des Sensorelements 3 erfasst werden können. Dazu kann die sensitive Fläche der Spulen 6 des Sensorelements 3 kleiner, gleich oder größer als die Projektionsfläche der Bereiche 4a, 5a, 4b, 5b sein. In einer konkreten Ausführungsform können die Spule(n) 6 sowie die Flächen der Bereiche 4a, 4b, 5a, 5b der Geberelemente im Wesentlichen gleich sein.
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Die zugrunde liegende Messschaltung wird anhand von 4 beschrieben. 4 zeigt eine Reihenschaltung einer Spule 401 mit einem Widerstand 402. Den Widerstand 402 sowie der Spule 401 ist ein Kondensator 403 parallel geschaltet. Dies entspricht im Wesentlichen einem Schwingkreis. Der Schwingkreis weist eine Resonanzfrequenz f auf, welche von den verwendeten Komponenten, also der Induktivität L der Spule 401, sowie von der Kapazität C des Kondensators 403 abhängt.
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Im Wesentlichen ergibt sich die Resonanzfrequenz f aus folgender Formel.
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Die Resonanzfrequenz f hängt also von der Induktivität der Spule L ab. Die Spule 401 wird bei dem vorliegenden Messprinzip in ihrer Induktivität beeinflusst. Dazu wird die Spule mit einer Wechselspannung angeregt. Die Spule 401 ist mit einer Spule 6 des Sensorelements 3 zu vergleichen. Bewegt sich ein leitendes Element, wie z. B. eines der leitenden Elemente 4a und 4b im Magnetfeld der Spule, so wird die Induktivität der Spule 401, 6 durch dieses leitende Material verändert. Diese Veränderung der Induktivität lässt sich untersuchen, indem die sich ergebende Resonanzfrequenz f des Schwingkreises beobachtet wird. Diese Beobachtung kann mittels entsprechender Bestandteile eines Steuergeräts der Sensoranordnung erfolgen.
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Die Induktivität der Spule hängt davon ab, wieviel leitendes Material sich in ihrem Magnetfeld befindet. Betrachtet man nun lediglich ein einzelnes Geberelement 1, so wird ersichtlich, dass je nach Positionierung des Geberelements 1 über dem Sensorelement 3 ein leitender Bereich 4a, 4b ganz oder auch nur anteilig sich im Erfassungsbereich der Spule 6 befinden kann. Liegt ein gesamter leitender Bereich 4a, 4b im Erfassungsbereich der Spule 6, so ergibt sich ein anderes Signal, als wenn ein kompletter nicht leitender Bereich 5a sich im Erfassungsbereich der Spule 6 befindet.
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Dasselbe gilt auch für das weitere Geberelement 2, welches ebenfalls unterschiedliche Signale erzeugt, abhängig vom Überlapp der leitenden und nicht leitenden Bereiche 4b, 5b im sensitiven Bereich der Spule 6. Der sich ändernde Überlapp der Spule 6 durch die leitenden Bereiche 4a, b repräsentiert eine Relativauslenkung d der Geberelemente 1, 2. Auf diese Weise lässt sich eine Relativauslenkung d anhand der Resonanzfrequenz f des Schwingkreises ermitteln.
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Anhand von 2 werden nun Beispiele gezeigt, die einen Signalverlauf, abhängig von der Relativposition d der Geberelemente 1, 2 darstellen.
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In 2 ist die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises über der Relativauslenkung d der Geberelemente 1, 2 aufgetragen. Die Resonanzfrequenz kann beispielsweise in Einheiten von MHz und die Relativauslenkung in Einheiten von mm vorliegen.
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Die Markierung in Kreisform 201 in 2 stellt beispielhaft einen Wert dar, der einer Positionierung der Geberelemente 1, 2 zueinander entspricht, wie er in 3b, dargestellt ist. Die hier einzeln gezeigte Spule 6 ist in diesem Fall nur von nichtleitenden Bereichen 5a und 5b überdeckt. Das der Frequenz entsprechende Signal ist niedrig.
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In 3a liegt dagegen eine Situation vor, in der sich jeweils ein leitender Bereich 4a des Geberelements 1 mit einem nicht leitenden Bereich 5b des Geberelements 2 überlappt. Ebenso überlappt sich jeder leitende Bereich des Geberelements 2 mit einem entsprechenden nicht leitenden Bereich 5b des Geberelements 1. Diese Konstellation führt zu einem Signal entsprechend der Markierung 202.
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Die Markierung 203 zeigt einen Wert, der einer relativen Positionierung der Geberelemente 1, 2 zugeordnet ist, bei der sich jeweils leitende Bereiche 4a, 4b sowie jeweils nicht leitende Bereiche 5a und 5b überlappen. Dies entspricht der Konstellation von 3c.
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Die Spule 6 ist dabei von lediglich leitenden Bereichen 4a und 4b überdeckt.
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Das endgültige Signal welches der Relativauslekung der Geberelemente 1, 2 entspricht kann aus dem Signal einer einzelnen Spulen 6 ermittelt werden. Ebenso kann kann eine Mittelung der Signale gekoppelter Spulen 6 erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass passende Spulen 6 ausgewertet werden, unter berücksichtigung der Spulengeometrie, sowie der Anordnung und Ausdehnung der leitenden und nichtleitenden Bereiche der beteiligten Geberelemente. Im konkreten Beispiel aus 1 müsste beispielsweise jede zweite Spule gekoppelt ausgewertet werden. Eine weitere Umrechnung von Einzelsignalen ist ebenfalls möglich. Randeffekte, sowie unabgedeckte Bereiche des Sensorelements 3 sind ebenfalls zu berücksichtigen.
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Im folgenden wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Relativauslenkung anhand 5 beschrieben. Zur Durchführung des Verfahrens weist die Sensoranordnung eine zugeordnete Steuereinheit auf, die in den Figuren nicht eingezeichnet ist.
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In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens wird eine Resonanzfrequenz f des Schwingkreises ermittelt. In einem darauffolgenden Schritt 502 wird der ermittelten Resonanzfrequenz f eine Relativauslenkung d des ersten und zweiten Geberelements 1, 2 ermittelt. Diese Ermittlung kann anhand eine hinterlegten Kennlinie erfolgen, die eine eindeutige Zuordnung der Resonanzfrequenzen f zu Relativauslenkungen d aufweist. Denkbar ist auch eine Entnahme aus einem Kennfeld.
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In einem weiteren Schritt 503 wird die ermittelte Relativauslenkung d durch die Steuereinheit gespeichert und/oder ausgegeben. Eine Ausgabe kann beispielsweise über Kommunikationssysteme in einem Fahrzeug erfolgen. Die Ausgabe kann an weitere Steuergeräte eines Fahrzeugs erfolgen, die die Größe der Relativauslenkung zweier zueinander beweglicher Komponenten benötigen.
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Ein elektrischer Bremskraftverstärker kann anhand einer Relativauslenkung seines Verstärkerkörpers zu einem, an das Betätigungselement, insbesondere an das Bremspedal gekoppelte, Eingangselement geregelt und/oder gesteuert werden. Der Verstärkerkörper eines Bremskraftverstärkers kann dazu mit einem ersten Geberelement 1 verbunden sein, das Eingangselement des Bremskraftverstärkers mit einem zweiten Geberelement 2. Die Geberelementes 1, 2 bewegen sich mit Verstärkerkörper und Eingangselement. Durch Ermitteln der Relativauslenkung der Geberelemente 1, 2 mittels eines passend angeordneten Sensorelements 3 kann auf die Relativauslenkung von Verstärkerkörper und Eingangselement geschlossen werden.
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Eine anhand der Sensoranordnung ermittelbare Relativauslenkung kann beispielsweise im Bereich mehrerer Millimeter liegen, insbesondere im Bereich von +/–5 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085740 A1 [0001]
