DE102016204016A1

DE102016204016A1 - Kipptoleranter Wegsensor

Info

Publication number: DE102016204016A1
Application number: DE102016204016.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Utermoehlen; Dayo Oshinubi; Stefan Leidich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-09-14
Also published as: CN108779991B; WO2017153074A1; CN108779991A; JP6714716B2; US20200292355A1; JP2019507884A; US11118940B2; EP3427010A1

Abstract

Ein Wegsensor (10) umfasst ein Induktionselement (14) mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Messspurelement (20a, 20b), das entlang eines Messwegs (M) verläuft; ein Sensorelement (12), das relativ zu dem Induktionselement (14) entlang des wenigstens einen Messspurelements (20a, 20b) beweglich ist; wobei das Sensorelement (12) wenigstens eine Messspule (24a, 24b) umfasst, die über dem wenigstens einen Messspurelement (20a, 20b) angeordnet ist; wobei sich eine Überdeckung der wenigstens einen Messspule (24a, 24b) und des wenigstens einen Messspurelements (20a, 20b) entlang des Messwegs (M) derart ändert, dass eine Induktion der wenigstens einen Messspule (24a, 24b) von einer Position (y) der Messspule (24a, 24b) auf dem Messweg (M) abhängig ist; wobei das Induktionselement (14) zwei elektrisch leitfähige Korrekturspurelemente (20c, 20d) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander angeordnet sind; und wobei das Sensorelement (12) zwei Korrekturspulen (24c, 24d) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander über jeweils einem der beiden Korrekturspurelemente (20c, 20d) angeordnet sind und deren Überdeckung mit den Korrekturspurelementen (20c, 20d) entlang des Messwegs (M) konstant ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wegsensor und ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativposition mit diesem Wegsensor.
Stand der Technik
Bekannt sind Drehwinkelsensoren, die auf dem Wirbelstromprinzip basieren. Das Messsignal kann eine Frequenzänderung eines Schwingkreises sein, der eine Messspule umfasst, die über einer elektrisch leitfähigen Spur angeordnet ist. Die elektrisch leitfähige Spur ändert ihre Breite entlang eines Messwegs derart, dass sich eine Überdeckung der Messspule mit der elektrisch leitfähigen Spur entlang des Messwegs ändert. Die Messspule induziert in der leitfähigen Spur einen Wirbelstrom, der zu einer Induktivitätsänderung der Messspule führt.
Ein derartiger Drehwinkelsensor ist beispielsweise in der DE 10 2004 033 083 A1 dargestellt.
Eine toleranzrobuste Auslegung erfordert in der Regel den Einsatz von mehreren Messspulen und mehreren leitfähigen Spuren, die meistens eine identische Geometrie aufweisen, allerdings entlang des Umfangs des zu vermessenden Objektes versetzt angeordnet sind.
Neben der Bewegung in Messrichtung (wie etwa eine Drehung um eine x-Achse) kann es aufgrund von Toleranzen zu einer Verschiebung und zu Abstandsänderungen zwischen der Messspule und der elektrisch leitfähigen Spur (d.h. zu einer Bewegung in x-Richtung und z-Richtung) kommen. Des Weiteren ist eine Verkippung um die y-Achse möglich. Eine Verkippung und eine Abstandsänderung können für das Messverfahren besonders kritisch sein, da der Wirbelstromeffekt eine starke Abstandsabhängigkeit aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen gegenüber Toleranzen robusten Wegsensor bereitzustellen.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Wegsensor. Ein Wegsensor kann ein Linearwegsensor sein, mit dem eine Relativposition zweier Bauelemente entlang eines geraden Messwegs bestimmt werden kann. Ein Wegsensor kann auch ein Drehwinkelsensor sein, mit dem eine relative Verdrehung zweier Bauelemente zueinander um eine Drehachse bestimmt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wegsensor ein Induktionselement mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Messspurelement, das entlang eines Messwegs verläuft; ein Sensorelement, das relativ zu dem Induktionselement entlang des wenigstens einen Messspurelements beweglich ist, wobei das Sensorelement wenigstens eine Messspule umfasst, die über dem wenigstens einen Messspurelement angeordnet ist, wobei sich eine Überdeckung der wenigstens einen Messspule und des wenigstens einen Messspurelements entlang des Messwegs derart ändert, dass eine Induktion der wenigstens einen Messspule von einer Position der Messspule auf dem Messweg abhängig ist.
Weiter weist das Induktionselement zwei elektrisch leitfähige Korrekturspurelemente auf, die bezüglich des Messwegs nebeneinander angeordnet sind, und weist das Sensorelement zwei Korrekturspulen auf, die bezüglich des Messwegs nebeneinander über jeweils einem der beiden Korrekturspurelemente angeordnet sind und deren Überdeckung mit den Korrekturspurelementen entlang des Messwegs konstant ist.
Das Induktionselement kann beispielsweise eine (in etwa flexible) Leiterplatte sein, auf dem das Messspurelement und die Korrekturspurelemente als eine oder mehrere Leiterbahnen ausgebildet sind. Diese Leiterplatte kann auf einem Bauteil, dessen Bewegung gemessen werden soll, angeordnet sein, Es ist aber auch möglich, dass das Induktionselement durch das zu vermessende Bauteil direkt bereitgestellt wird, wenn dieses elektrisch leitfähig ist. Das Messspurelement kann beispielsweise eine Erhöhung auf diesem Bauteil sein. Weiter können die Korrekturspurelemente direkt durch dieses Bauteil bereitgestellt sein.
Das oder die Messspurelemente sowie die Korrekturspurelemente können jeweils durch voneinander getrennte elektrisch leitfähige Spuren gebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass ein oder mehrere der Messspurelemente und/oder Korrekturspurelemente durch lediglich eine elektrisch leitfähige Spur bereitgestellt werden. Ein oder zwei Messspurelemente können beispielsweise von den Rändern einer elektrisch leitfähigen Spur bereitgestellt werden. Eine Korrekturspur kann von der Mitte einer elektrisch leitfähigen Spur bereitgestellt werden.
Es ist möglich, dass je Spule (Messspule und/oder Korrekturspule) jeweils eine leitfähige Spur auf dem Induktionselement vorhanden ist, die das jeweilige Messspurelement bereitstellt. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Spurelemente (Messspurelemente und/oder Korrekturspurelemente) von lediglich einer elektrisch leitfähigen Spur bereitgestellt werden.
Das Sensorelement kann eine Leiterplatte sein, in der die Messspule und/oder die Korrekturspulen als Planarspulen ausgebildet sind. Das Sensorelement kann auch weitere Bauelemente, wie etwa eine Steuerung, die einen Wechselstrom in den Spulen induzieren kann und/oder eine Frequenz der Wechselspannung in diesen Spulen messen kann, umfassen.
Es ist möglich, dass die Grundflächen der Korrekturspulen im Wesentlichen denen der Messspulen entsprechen. Es ist auch möglich, dass die Korrekturspulen eine kleinere Fläche aufweisen als die Messspule(n).
Das Induktionselement und das Sensorelement sind relativ zueinander beweglich. Beispielsweise kann das Induktionselement auf einer Welle angeordnet sein, die relativ zum Sensorelement drehbar ist. Auch können das Sensorelement und das Induktionselement an Bauteilen befestigt sein, die in Richtung des Messwegs zueinander verschiebbar sind.
Mit den Korrekturspulen kann eine Verkippung des Induktionselementes relativ zum Sensorelement und auch eine relative Abstandsänderung dieser beiden Elemente des Wegsensors ausgeglichen werden.
Die Messspule(n) und die Korrekturspulen werden dabei mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die in den zugehörigen Messspurelement(en) und Korrekturspurelementen einen Wirbelstrom induziert, und die somit die Induktivität der jeweiligen Spule (Messspule oder Korrekturspule) ändert. Die Spulen können jeweils mit einem Schwingkreis verbunden sein, dessen Frequenz sich dann mit der jeweiligen Induktivität ändert. Diese Frequenz kann als Messsignal der jeweiligen Spule ausgewertet werden.
Da das oder die Messspurelemente sich beispielsweise entlang des Messwegs in ihrer Breite ändern, ändert sich die Induktivität der zugehörigen Messspule und damit die zugehörige Frequenz. Aus der Frequenz kann damit auf die Position der Messspule entlang des Messwegs geschlossen werden.
Da das Messsignal zusätzlich vom Abstand der Messspule von dem Messspurelement abhängt (d.h. einer Entfernung in z-Richtung), kann durch Verkippung oder eine Abstandsänderung das Messsignal jedoch verändert werden, was mithilfe der Korrekturspulen korrigiert werden kann.
Die Korrekturspulen sind bezüglich des Messwegs nebeneinander angeordnet, d.h. entlang einer x-Richtung, wenn der Messweg entlang der y-Richtung verläuft. Da die Überdeckung einer Korrekturspule mit dem zugehörigen Korrekturspurelement unabhängig von der Position auf dem Messweg ist, kann aus dem Messsignal der Korrekturspule (d.h. die durch die Induktivität der Korrekturspule erzeugte Frequenz der Wechselspannung) auf den Abstand der Korrekturspule zu dem Korrekturspurelement geschlossen werden. Basierend auf den für jede Korrekturspule bestimmten Abstand und der bekannten Geometrie des Wegsensors (wie etwa der Abstand der Korrekturspulen voneinander und von der oder den Messspulen) kann auf den Abstand der Messspule(n) von dem jeweiligen Messspurelement geschlossen werden. Mit diesem Abstand kann dann beispielsweise die Frequenz der Messspule korrigiert werden. Insgesamt kann der Einfluss von Toleranzen auf das Messergebnis nahezu neutralisiert werden.
Mit dem Wegsensor kann eine Messgenauigkeit erhöht werden, da eine Abstands- und Verkippungskorrektur durchgeführt werden kann. Weiter kann der Wegsensor kostengünstig hergestellt werden, da Einbautoleranzen größer sein können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Messspurelement entlang des Messwegs eine variable Breite auf. Beispielsweise kann das Messspurelement derartig seine Breite verändern, dass sich ein sinusförmiges Messsignal bezüglich des Messwegs ergibt. Eine sinusförmig vom Weg abhängige Frequenz kann besonders einfach ausgewertet werden (beispielsweise durch Anwenden einer inversen trigonometrischen Funktion).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die beiden Korrekturspurelemente entlang des Messwegs eine konstante Breite auf. Die Korrekturspurelemente können breiter als die zugehörigen Korrekturspulen sein. Beispielsweise können die Korrekturspulen entlang des Messwegs immer von den Korrekturspurelementen komplett überdeckt sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Messspurelement zwischen den beiden Korrekturspurelementen angeordnet. Wenn die Korrekturspurelemente in x-Richtung (d.h. orthogonal zum Messweg in y-Richtung) außerhalb der Messspurelemente angeordnet sind, ergibt sich ein großer Abstand der Korrekturspulen in x-Richtung, wodurch die Korrekturgenauigkeit erhöht wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Messspule zwischen den beiden Korrekturspulen angeordnet. Werden die Korrekturspulen in x-Richtung neben der oder den Messspulen angeordnet, kann das Sensorelement in y-Richtung, d.h. in Richtung des Messwegs, besonders kurz gehalten werden. Insgesamt kann sich bei minimal möglicher Bauform ein maximaler Abstand in x-Richtung ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Induktionselement zwei elektrisch leitfähige Messspurelemente auf, die bezüglich des Messwegs nebeneinander entlang des Messwegs angeordnet sind, wobei das Sensorelement zwei Messspulen aufweist, die bezüglich des Messwegs nebeneinander über den beiden elektrisch leitfähigen Spuren angeordnet sind. Mit anderen Worten kann der Wegsensor zwei in x-Richtung nebeneinander liegende Messspulen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Messspurelemente abschnittsweise gleich geformt und sind die Messspurelemente derart zueinander versetzt angeordnet, dass in den jeweiligen Messspulen Signale induziert werden, die bezüglich einer Messwegposition zueinander verschoben sind. Beispielsweise können die beiden Messspurelemente so geformt sein, dass die eine Messspule ein sinusförmiges Messsignal entlang des Messwegs und die andere Messspule ein cosinusförmiges Messsignal (d.h. ein um 90° versetztes Sinussignal) erzeugt. Aus dem Quotienten kann mithilfe der arctan-Funktion die Wegposition berechnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen ein Korrekturspurelement und ein Messspurelement nebeneinander und sind aus einer elektrisch leitfähigen Spur gebildet. Es ist möglich, dass ein Messspurelement und ein Korrekturspurelement durch die gleiche leitfähige Struktur auf dem Induktionselement bereitgestellt werden. Die zugehörige Messspule und die zugehörige Korrekturspule können dann entlang des Messwegs aufeinander abfolgend angeordnet sein. In diesem Fall kann eine Fläche der Korrekturspule kleiner sein als die der Messspulen. Beispielsweise kann die Korrekturspule lediglich einen Teil der leitfähigen Spur überdecken, der keine variable Breite aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Messspule aus zwei bezüglich des Messwegs nebeneinander beabstandet angeordneten Teilspulen gebildet, die über zwei Messspurelementen angeordnet sind. Eine Korrekturspule kann bezüglich des Messwegs (d.h. bezüglich der x-Richtung) zwischen den beiden Teilspulen angeordnet sein. Dabei ist es möglich, dass die Korrekturspule in y-Richtung, d.h. entlang des Messwegs, von den beiden Teilspulen beabstandet ist. Diese Korrekturspule kann über einem Korrekturspurelement angeordnet sein, das zwischen den beiden Messspurelementen angeordnet ist.
Es ist möglich, dass zwei nebeneinander angeordnete Messspulen auf diese Weise in jeweils zwei Teilspulen aufgeteilt sind. Weiter kann für jede dieser Messspulen eine Korrekturspule vorgesehen sein, die bezüglich der x-Richtung zwischen den beiden Teilspulen angeordnet ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein besonders kompaktes Induktionselement realisiert werden, da für jede Kombination aus Messspule und Korrekturspule lediglich eine leitfähige Spur vorhanden sein muss (die dann am Rand die zwei Messspurelemente und in der Mitte das Korrekturspurelement bereitstellt).
Die Korrekturspule ist in diesem Fall von der Fläche und/oder ihrer Erstreckung in x-Richtung kleiner als die Messspule ausgeführt, da die Messspule die ganze Breite der leitfähigen Spur (beide Messspurelemente und das Korrekturspurelement) überdeckt. Die Korrekturspule kann platzsparend in das Sensorelement integriert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Korrekturspurelement von zwei Messspurelementen flankiert und das Korrekturspurelement und die Messspurelemente werden aus einer elektrisch leitfähigen Spur gebildet.
Die elektrisch leitfähige Spur, die aus den beiden Messspurelementen (an deren Rand) und dem Korrekturspurelement (in deren Mitte) gebildet ist, kann dann eine minimale Breite aufweisen, die gleich der Breite des Korrekturspurelements ist. Beispielsweise kann diese minimale Breite etwa 30% größer sein als die Breite der Korrekturspulen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Wegsensor ein Linearwegsensor. Beispielsweise kann das Induktionselement entlang einem linearen Messweg angeordnet sein. Mit dem Linearwegsensor kann beispielsweise die Einfedertiefe eines Zweirads gemessen werden. Weiter kann ein derartiger Linearwegsensor bei einem Bremssystem zum Einsatz kommen. Auch kann die Gangposition bei einem Automatikgetriebe mit einem derartigen Linearwegsensor gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Wegsensor ein Drehwinkelsensor. Beispielsweise kann das Induktionselement auf einer Welle um eine Drehachse angeordnet sein. Ein derartiger Drehwinkelsensor kann für die Messung einer Nockenwellenposition eingesetzt werden. Ebenso kann mit einem derartigen Drehwinkelsensor ein Winkel einer Exzenterwelle für eine variable Ventilverstellung bestimmt werden. Auch kann ein derartiger Drehwinkelsensor als Rotorlagesensor für einen elektrischen Motor für ein Elektrofahrzeug eingesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativposition eines Sensorelements und eines Induktionselements eines Wegsensors, so wie er obenstehend und untenstehend beschrieben ist. Beispielsweise kann das Verfahren von einer Steuerung ausgeführt werden, die auch auf dem Sensorelement angeordnet sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Messen von zwei Korrekturfrequenzsignalen der beiden Korrekturspulen; Bestimmen eines Abstands der jeweiligen Korrekturspule von dem Induktionselement aus dem jeweiligen Korrekturfrequenzsignal; Bestimmen eines Abstands der wenigstens einen Messspule von dem Induktionselement aus den Abständen der Korrekturspulen; Messen wenigstens eines Messfrequenzsignals der wenigstens einen Messspule; Korrigieren des wenigstens einen Messfrequenzsignals basierend auf dem bestimmten Abstand der jeweiligen Messspule; und Bestimmen der Relativposition aus dem korrigierten wenigstens einem Messfrequenzsignal.
Ein Algorithmus, der das Verfahren ausführt und in der Steuerung als Computerprogramm implementiert sein kann, benötigt wenig Rechenleistung und kann mit einem Standard-Mikrocontroller abgebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
1 zeigt schematisch einen Linearwegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch einen Drehwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch ein Induktionselement für einen Wegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Wegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt schematisch ein Induktionselement für einen Wegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt schematisch ein Induktionselement für einen Wegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Wegsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit einer Frequenz von einem Abstand zwischen einem Induktionselement und einer Spule illustriert.
9 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit einer Frequenz von einem Messweg illustriert.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Wegsensor 10 in der Form eines Linearwegsensors 10a, der ein Sensorelement 12 und ein Induktionselement 14 umfasst. Das Sensorelement 12 und das Induktionselement 14 sind relativ zueinander entlang eines Messwegs M verschiebbar. Der Aufbau des Sensorelements 12 und des Induktionselements 14 wird in Bezug auf die 3 bis 9 noch genauer erläutert.
Das Induktionselement 14 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein, die auf einem Bauteil 16 angebracht ist, dessen Relativposition zu dem Sensorelement 12 bestimmt werden soll. Weiter ist es möglich, dass das Induktionselement 14 als Struktur eines elektrisch leitfähigen Bauteils 16 bereitgestellt ist.
Auf dem Sensorelement 12, das auch eine Leiterplatte 17 umfassen kann, kann sich eine Steuerung 18 befinden, die, wie weiter unten noch beschrieben wird, aus im Sensorelement 12 befindlichen Spulen eine Wegposition des Sensorelements 12 entlang dem Messweg M bestimmen kann.
In dieser und den folgenden Figuren ist der Messweg M entlang einer y-Richtung ausgerichtet, während eine Breitenrichtung durch die x-Richtung bestimmt wird. Der Abstand des Sensorelements 12 und des Induktionselements 14 wird in einer z-Richtung bestimmt.
Die 2 zeigt einen Wegsensor 10 in der Form eines Drehwinkelsensors 10b, der ein Sensorelement 12 und ein Induktionselement 14 umfasst. Das Sensorelement 12 und das Induktionselement 14 sind relativ zueinander um eine Achse A drehbar. Da das Induktionselement um eine Welle 16‘ gewickelt ist, führt dies dazu, dass das Sensorelement 12 und das Induktionselement 14 entlang eines (gekrümmten) Messwegs M zueinander beweglich sind.
Das Sensorelement 12 und das Induktionselement 14 (falls von der Welle 16‘ in Gedanken abgewickelt) können genauso wie in der 1 aufgebaut sein. Beispielsweise kann das Induktionselement 14 eine flexible Leiterplatte sein und/oder durch eine Strukturierung der Oberfläche der Welle 16‘ bereitgestellt sein, falls diese elektrisch leitfähig ist.
Bei der 1 ist die Achse A in x-Richtung ausgerichtet. Der Messweg M verläuft (lokal) in der y-Richtung, unter der Annahme, dass sich die Welle 16‘ dreht und das Sensorelement 12 fest steht.
Die 3 zeigt ein Induktionselement 14, das beispielsweise eine (flexible) Leiterplatte 22 umfasst, auf der mehrere elektrisch leitfähige Spurelemente 20a, 20b, 20c, 20d als Metallisierungsschichten bzw. Leiterbahnen aufgebraucht sind. Es ist auch möglich, dass die Spuren 20a, 20b, 20c, 20d als Erhebungen oder Vertiefungen auf einem elektrisch leitfähigen Bauteil 16, 16‘ gebildet sind.
Bei dem Linearwegsensor 10a ist das Induktionselement 14 flach. Bei dem Drehwinkelsensor 10b ist das Induktionselement 14 zu einem Kreis bzw. zu einem Kreisbogen gekrümmt (falls nur ein Teil von 360° erfasst werden soll).
Die Spurelemente 20a bis 20d sind in zwei Messspurelemente 20a, 20b und zwei Korrekturspurelemente 20c, 20d unterteilt. Die beiden Messspurelemente 20a, 20b verlaufen nebeneinander und/oder in Richtung des Messwegs M (d.h. in y-Richtung). Weiter verlaufen die Messspurelemente 20a, 20b zwischen den beiden Korrekturspurelementen 20c, 20d, die auch in Richtung des Messwegs verlaufen.
Weiter befindet sich über jedem Spurelement 20a, 20b, 20c, 20d eine dem Spurelement zugeordnete Messspule 24a, 24b, 24c, 24d. Über den Messspurelementen 20a, 20b befindet sich jeweils eine Messspule 24a, 24b. Über den Korrekturspurelementen 20c, 20d befindet sich jeweils eine Korrekturspule 24c, 24d. Die Messspulen 24a, 24b und die Korrekturspulen 24c, 24d sind nebeneinander (in x-Richtung) angeordnet, wobei die Messspulen 24a, 24b innerhalb der beiden Korrekturspulen 24c, 24d angeordnet sind. Weiter können alle Spulen 24a, 24b, 24c, 24d gleich groß sein bzw. die gleiche Fläche aufweisen.
Die Messspurelemente 20a, 20b sind derart strukturiert, dass sich die Überdeckung der zugehörigen Messspulen bei Drehung der Welle 16‘ bzw. Verfahren des Bauteils 16 verändert. Die Breite jedes Messspurelements 20a, 20b in x-Richtung verändert sich dabei entlang der y-Richtung so, dass sich die Überdeckung der zugehörigen Messspule 24a, 24b entlang der y-Richtung bzw. entlang des Messwegs verändert. Auf diese Weise erzeugt jede Messspule 24a, 24b ein Messsignal, das im Wesentlichen von der Position der jeweiligen Messspule 24a, 24b auf dem Messweg M abhängt.
Der Rand jedes Messspurelements 20a, 20b kann dabei abschnittsweise nach außen (in x-Richtung bzw. entgegen der x-Richtung) gekrümmt sein, so dass eine bogenförmige Struktur entsteht, die sich periodisch wiederholt. Auch kann jedes Messspurelement 20a, 20b bezüglich einer parallel zu dem Messweg verlaufenden Mittelachse spiegelsymmetrisch sein.
Die beiden Messspurelemente 20a, 20b können abschnittsweise gleich geformt sein, allerdings entlang des Messwegs M zueinander verschoben sein, um so unterschiedliche Messsignale in den Korrekturspulen 24a, 24b zu erzeugen. Wie gezeigt, können die Messspurelemente 20a, 20b um eine halbe Periode verschoben sein, was zu maximal unterschiedlichen Messsignalen führt.
Die Korrekturspurelemente 20c, 20d müssen nicht strukturiert sein und können eine von der Drehung/Verschiebung bzw. dem Messweg unabhängige Geometrie aufweisen. Lediglich die Korrekturspulen 24c, 24d sollten entlang des Messwegs immer die gleiche Überdeckung mit den Korrekturspurelementen 20c, 20d aufweisen (beispielswiese eine vollständige Überdeckung). Auf diese Weise erzeugen die Korrekturspulen 24c, 24d ein vom Messweg unabhängiges Messsignal, das allerdings von der Entfernung (in z-Richtung) der jeweiligen Korrekturspule 24c, 24d von dem Induktionselement 14 abhängt.
Es ist möglich, auf gesonderte Korrekturspurelemente 20c, 20d für die Korrekturspulen 24c, 24d zu verzichten und die Korrekturspulen 24c, 24d über einer Fläche eines elektrisch leitfähigen Bauteils 16, 16‘ anzuordnen.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Wegsensor 10 (in der Form eines Drehwinkelsensors 10b), an dem eine Verkippung des Sensorelements 12 gegenüber dem Induktionselement 14 gezeigt ist. Die Entfernung der Spulen 24a bis 24d weicht von einer nominalen Entfernung z_nom ab, was dazu führt, dass die Messsignale der Messspulen 24a, 24b verfälscht werden, allerdings durch die Messsignale der Korrekturspulen 24c, 24d korrigiert werden können.
Die 5 und die 6 zeigen weitere Ausführungsformen von Induktionselementen 14, bei denen ein Korrekturspurelement 20c, 20d und Messspurelemente 20a, 20b ineinander integriert sind.
Bei der 3 werden die Korrekturspurelemente 20c, 20d und Messspurelemente 20a, 20b jeweils durch eine gesonderte elektrisch leitfähige Spur (d.h. eine von den anderen Spuren getrennte Spur) bereitgesteilt. Bei den 5 und 6 werden elektrisch leitfähige Spuren, die die gleiche Form aufweisen wie die Messspurelemente 20a, 20b aus der 3, in jeweils zwei Messspurelemente 20a (bzw. 20b) und ein Korrekturspurelement 20c (bzw. 20d) unterteilt. Es ist zu verstehen, dass diese Unterteilung durch die Anordnung der Spulen 24a bis 24d erfolgt und die beiden Messspurelemente 20a (bzw. 20b) und das Korrekturspurelement 20c (bzw. 20d) miteinander verbunden sein können bzw. von einer einzigen Metallisierungsschicht bereitgestellt werden können. Es ist jedoch auch möglich, dass die Messspurelemente 20a (bzw. 20b) und das Korrekturspurelement 20c (bzw. 20d) voneinander getrennt sind.
Genauso wie bei der 3 kann ein Rand jedes Messspurelements 20a, 20b dabei abschnittsweise nach außen (in x-Richtung bzw. entgegen der x-Richtung) gekrümmt sein, so dass eine bogenförmige Struktur entsteht, die sich periodisch wiederholt. Der andere Rand kann dabei gerade sein bzw. parallel zum Messweg verlaufen.
Insgesamt kann sich die Breite der aus den Messspurelementen 20a (bzw. 20b) und des Korrekturspurelements 20c (bzw. 20d) gebildeten Spur zwischen einer minimalen Breite und einer maximalen Breite entlang des Messwegs periodisch verändern. Die minimale Breite kann dabei die Breite des Korrekturspurelements 20c (bzw. 20d) sein.
Bei der 5 überdeckt die Messspule 24a (bzw. 24b) in Breitenrichtung (x-Richtung) die zugehörigen Messspurelemente 20a (bzw. 20b) und Korrekturspurelemente 20c (bzw. 20d) vollständig. Die Messspule 24a (bzw. 24b) kann dabei genauso breit wie die maximale Breite der aus den zugehörigen Spurelementen gebildeten Spur sein.
Die Korrekturspule 24c (bzw. 24d) überdeckt in Breitenrichtung (x-Richtung) lediglich das Korrekturspurelement 20c (bzw. 20d). Die Korrekturspule 24c (bzw. 24d) kann dabei genauso breit oder etwas schmaler wie die minimale Breite der aus den zugehörigen Spurelementen gebildeten Spur sein.
Die Messspulen 24a, 24b sind in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Auch die Korrekturspulen sind in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Dabei sind die Korrekturspulen in y-Richtung bzw. in Richtung des Messwegs M von den Messspulen 24a, 24b beabstandet.
Bei der 6, bei der die Anordnung der Spulen 24a bis 24d und die Form der Korrekturspulen 24c, 24d genauso wie bei der 5 ist, ist jede der Messspulen 24a, 24b in jeweils zwei Teilspulen 26 unterteilt. Jede der Teilspulen 26 ist dabei in etwa so breit wie die maximale Breite des zugehörigen Messspurelements 20a bzw. 20b. Auf diese Weise kann der von einer Messspule 20a, 20b abgegebene Bereich des Messsignals erhöht werden. Insbesondere wird das minimale Messsignal reduziert gegenüber dem Aufbau aus der 4.
Die 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Wegsensor 10 in der Form eines Linearwegsensors mit einem Induktionselement 14 und einem Spulenaufbau aus der 6. Analog der 4 ist gezeigt, dass die Entfernung der Spulen 24a bis 24d aufgrund einer Verkippung von einer nominalen Entfernung z_nom abweichen kann.
Die 7 zeigt weiter, dass die Messspurelemente 20a, 20b und die Korrekturspurelemente 20c, 20d auf der dem Sensorelement 12 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 22 angeordnet sein können. Es ist auch möglich, dass die Messspurelemente 20a, 20b und die Korrekturspurelemente 20c, 20d auf der dem Sensorelement 12 zugewandten Seite der Leiterplatte 22 angeordnet sind.
Es ist möglich, dass sowohl ein Linearwegsensor 10a als auch ein Drehwinkelsensor 10b einen Aufbau entsprechend den 3, 5 oder 6 aufweisen können.
In Bezug auf die 8 und 9 wird ein Verfahren beschrieben, das die Steuerung 18 ausführen kann, um zu ermitteln, in welcher Position des Messwegs M sich das Sensorelement 12 in Bezug auf das Induktionselement 14 befindet.
Die Messspulen 24a, 24b und die Korrekturspulen 24c, 24d können mit jeweils einem Schwingkreis verbunden sein, der von der Steuerung 18 zum Schwingen angeregt wird. Die Frequenz des jeweiligen Schwingkreises hängt von der Induktivität der jeweiligen Spule 24a bis 24d ab, die wiederum von der Überdeckung der jeweiligen Spule mit den ihr zugeordneten Spurelementen 20a bis 20d abhängt. Diese Frequenzen werden von der Steuerung 18 als Messsignal erfasst.
Zunächst kann die Steuerung zur Laufzeit die Frequenzen der beiden Korrekturspulen 24c, 24d messen und anhand dieser Frequenzen auf die Abstände z_c, z_d (siehe 4, 7) zwischen dem Induktionselement 14 und der jeweiligen Korrekturspule 24c, 24d schließen. 8 zeigt ein Diagramm mit dem Zusammenhang zwischen der Frequenz einer Spule 24a bis 24d und deren Abstand von dem Induktionselement 14. Aus diesem Zusammenhang, der beispielsweise in der Steuerung 18 interpoliert werden oder als Tabelle abgespeichert sein kann, kann die Steuerung 18 aus einer Frequenz einen Abstand berechnen (und umgekehrt).
Aus der bekannten Geometrie des Wegsensors 10 und insbesondere den Positionen der Spulen 24a bis 24d in x-Richtung können aus den Abständen z_c, z_d die Abstände z_a, z_b bestimmt werden. Bei der Ausführungsform der 4, bei der die Korrekturspulen 24c, 24d außen neben den Messspulen 24a, 24b platziert sind, kann dies über eine lineare Interpolation geschehen. Bei der Ausführungsform der 7 können die Abstände gleichgesetzt werden (z_a = z_d und z_b = z_d), da die Korrekturspule 24c, 24d bezüglich der x-Richtung an der gleichen Position wie die Messspule 24a, 24b angeordnet ist.
Mit den Abständen z_a, z_b kann die Steuerung nun jeweils die gemessene Frequenz der Messspulen korrigieren.
9 zeigt ein Diagramm, das die Messsignale der Messspulen 24a, 24b zeigt, wie sie ohne Verkippung (d.h. bei Kalibrierung) von den Messspulen 24a, 24b erzeugt werden.
Dabei ist f₀ eine minimale Frequenz, die erzeugt wird, wenn keine Überdeckung erfolgt (beispielsweise, wenn das Induktionselement 14 entfernt ist). Die minimale Frequenz f₀ ist von der Spulengeometrie und der Resonanzkapazität abhängig (und nicht vom Abstand und vom Induktionselement 14) und kann durch Kalibrierung ermittelt werden.
f_min(z_nom1,2) ist die Frequenz bei minimaler Überdeckung (bei dem Nominalabstand z_nom1,2) und f_max(z_nom1,2) ist die Frequenz bei maximaler Überdeckung (bei dem Nominalabstand z_nom1,2). Der nominale Abstand z_nom1 der ersten Korrekturspule 24a und der nominale Abstand z_nom2 der zweiten Korrekturspule 24b sind durch Design und Exemplarstreuung definiert und können durch Kalibrierung ermittelt werden. Durch Verfahren des gesamten Messbereiches beim Kalibrieren kann die Steuerung die minimale Frequenz f_min(z_nom1,2) und maximale Frequenz und f_max(z_nom1,2) jeder Messspule 24a, 24b ermitteln.
Aus dem mittels den Korrekturspulen 24c, 24d ermittelten Abstand z_a, z_b der Messspulen 24a, 24b kann die Steuerung 18 nun die (korrigierte) Frequenz der jeweiligen Messspule 24a, 24b bei maximaler Überdeckung f_max(z_a,b) bei diesem Abstand bestimmen. Dies kann über den in der 8 gezeigten Zusammenhang geschehen.
Die gemessenen Frequenzen f_m1,2 der Messspulen können nun mit diesen korrigierten maximalen Frequenzen f_max(z_a,b) korrigiert werden, beispielsweise mit einer linearen Korrektur gemäß f_cor1‚2 = (f_m1‚2 – f₀)/(f_max(z_a,b) – f₀)·f_max(_znom1,2)
Aus den korrigierten Frequenzen f_cor1‚2 kann die Steuerung 18 dann die Position y auf dem Messweg bestimmen. Beispielsweise können die Messspurelemente 20a, 20b so geformt sein, dass sich ein sinusförmiges Messsignal über den Messweg M ergibt. Weiter können die Messspurelemente 20a, 20b so zueinander in Richtung des Messwegs M versetzt sein, dass sich um 90° verschobene Messsignale ergeben. Dann kann mittels y = arctan(f_cor1/f_cor2) die Wegposition bzw. der Drehwinkel y aus den korrigierten Frequenzen f_cor1‚2 berechnet werden. Durch die Korrektur stimmt dieses Ergebnis mit einem vergleichbaren Ergebnis zum Zeitpunkt einer Kalibrierung überein.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004033083 A1 [0003]

Claims

Wegsensor (10), umfassend: ein Induktionselement (14) mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Messspurelement (20a, 20b), das entlang eines Messwegs (M) verläuft; ein Sensorelement (12), das relativ zu dem Induktionselement (14) entlang des wenigstens einen Messspurelements (20a, 20b) beweglich ist; wobei das Sensorelement (12) wenigstens eine Messspule (24a, 24b) umfasst, die über dem wenigstens einen Messspurelement (20a, 20b) angeordnet ist; wobei sich eine Überdeckung der wenigstens einen Messspule (24a, 24b) und des wenigstens einen Messspurelements (20a, 20b) entlang des Messwegs (M) derart ändert, dass eine Induktion der wenigstens einen Messspule (24a, 24b) von einer Position (y) der Messspule (24a, 24b) auf dem Messweg (M) abhängig ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionselement (14) zwei elektrisch leitfähige Korrekturspurelemente (20c, 20d) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander angeordnet sind; und das Sensorelement (12) zwei Korrekturspulen (24c, 24d) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander über jeweils einem der beiden Korrekturspurelemente (20c, 20d) angeordnet sind und deren Überdeckung mit den Korrekturspurelementen (20c, 20d) entlang des Messwegs (M) konstant ist.
Wegsensor (10) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Messspurelement (20a, 20b) entlang des Messwegs (M) eine variable Breite aufweist; und/oder wobei die beiden Korrekturspurelemente (20c, 20d) entlang des Messwegs (M) eine konstante Breite aufweisen.
Wegsensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Messspurelement (20a, 20b) zwischen den beiden Korrekturspurelementen (20c, 20d) angeordnet ist; und/oder wobei die wenigstens eine Messspule (24a, 24b) zwischen den beiden Korrekturspulen (24c, 24d) angeordnet ist.
Wegsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Induktionselement (14) zwei elektrisch leitfähige Messspurelemente (20a, 20b) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander entlang des Messwegs (M) angeordnet sind; wobei das Sensorelement (12) zwei Messspulen (24a, 24b) aufweist, die bezüglich des Messwegs (M) nebeneinander über den beiden elektrisch leitfähigen Messspurelementen (20a, 20b) angeordnet sind.
Wegsensor (10) nach Anspruch 4, wobei die beiden Messspurelemente (20a, 20b) abschnittsweise gleich geformt sind und die Messspurelemente (20a, 20b) derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass in den jeweiligen Messspulen (24a, 24b) Messsignale induziert werden, die bezüglich einer Messwegposition (y) zueinander verschoben sind.
Wegsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Korrekturspurelement (20c, 20d) und ein Messspurelement (20a, 20b) nebeneinander verlaufen und aus einer elektrisch leitfähigen Spur gebildet sind; und/oder wobei eine Messspule (24a, 24b) und eine Korrekturspule (24c, 24d) entlang des Messwegs (M) aufeinander abfolgend angeordnet sind.
Wegsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messspule (24, 24b) aus zwei beabstandet bezüglich des Messwegs nebeneinander angeordneten Teilspulen (26) gebildet ist, die über zwei Messspurelementen (20a, 20b) angeordnet sind; wobei eine Korrekturspule (24c, 24d) bezüglich des Messwegs (M) zwischen den beiden Teilspulen (26) angeordnet ist und die Korrekturspule (24c, 24d) über einem Korrekturspurelement (20c, 20d) angeordnet ist, das zwischen den beiden Messspurelementen (20a, 20b) angeordnet ist; und/oder wobei ein Korrekturspurelement (20c, 20d) von zwei Messspurelementen (20a, 20b) flankiert ist und das Korrekturspurelement (20c, 20d) und die Messspurelemente (20a, 20b) aus einer elektrisch leitfähigen Spur gebildet sind.
Wegsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wegsensor ein Linearwegsensor (10a) ist und das Induktionselement (14) entlang einem linearen Messweg (M) angeordnet ist.
Wegsensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wegsensor ein Drehwinkelsensor (10b) ist und das Induktionselement (14) auf einer Welle (16‘) um eine Drehachse (A) angeordnet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer Relativposition (y) eines Sensorelements (12) und eines Induktionselements (14) eines Wegsensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Verfahren umfassend: Messen von zwei Korrekturfrequenzsignalen der beiden Korrekturspulen (24c, 24d); Bestimmen eines Abstands der jeweiligen Korrekturspule (24c, 24d) von dem Induktionselement (14) aus dem jeweiligen Korrekturfrequenzsignal; Bestimmen eines Abstands der wenigstens einen Messspule (24a, 24b) von dem Induktionselement (14) aus den Abständen der Korrekturspulen (24c, 24d); Messen wenigstens eines Messfrequenzsignals der wenigstens einen Messspule (24a, 24b); Korrigieren des wenigstens einen Messfrequenzsignals basierend auf dem bestimmten Abstand der jeweiligen Messspule (24a, 24b); Bestimmen der Relativposition (y) aus dem korrigierten wenigstens einem Messfrequenzsignal.