DE102020112721A1

DE102020112721A1 - Induktiver Positionssensor mit einer Abschirmungsschicht und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102020112721A1
Application number: DE102020112721.9A
Authority: DE
Inventors: Paul Smith; Robert Wood; John Simm; Timothy Biggs
Original assignee: AVX Electronics Technology Ltd
Current assignee: Kyocera Avx Components Werne De GmbH
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2020-11-19
Also published as: CN111947692A; CN111947692B; US11703359B2; US20200363238A1

Abstract

Ein induktiver Positionssensor kann so ausgestaltet sein, dass er eine relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert. Der induktive Positionssensor kann ein induktives Sensorelement, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist, und eine Abschirmungsschicht umfassen, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Die Abschirmungsschicht kann so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf induzierte Signale in dem induktiven Sensorelement, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes verursacht wird, vermindert.

Description

BEANSPRUCHUNG DER PRIORITÄT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/847,507 mit dem Titel „Inductive Position Sensing Apparatus Including a Screening Layer and Method for the Same“, die am 14. Mai 2019 eingereicht wurde und durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Abtasten der relativen Position zwischen zwei Gliedern und insbesondere ein System und Verfahren zum induktiven Detektieren einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied unter Verwendung einer Abschirmungsschicht.
STAND DER TECHNIK
Zum Detektieren der Position eines ersten Gliedes relativ zu einem zweiten Glied sind verschiedene Formen von induktiven Positionssensoren bekannt. In einigen Fällen kann ein Glied ein induktives Sensorelement tragen, während das andere Glied ein weichmagnetisches oder leitfähiges Ziel trägt. Das induktive Sensorelement kann so ausgestaltet sein, dass es die relative Position der zwei Glieder durch Detektieren der Position des weichmagnetischen oder leitfähigen Ziels relativ zu dem induktiven Sensorelement detektiert.
KURZDARSTELLUNG
Aspekte und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können aus der Beschreibung erfahren werden oder können durch praktische Anwendung der Ausführungsformen erlernt werden.
Ein beispielhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf einen induktiven Positionssensor, der so ausgestaltet ist, dass er eine relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert. Der induktive Positionssensor kann ein induktives Sensorelement, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist, und eine Abschirmungsschicht umfassen, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Die Abschirmungsschicht kann so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf induzierte Signale in dem induktiven Sensorelement vermindert, die durch den abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes bewirkt wird.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile von verschiedenen Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die angefügten Ansprüche besser verständlich. Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Spezifikation aufgenommen werden und einen Teil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zum Erklären der damit verbundenen Grundsätze.
Figurenliste
In der Spezifikation werden ausführliche Erörterungen von Ausführungsformen, die sich an den Durchschnittsfachmann richten, dargelegt, die sich auf die begleitenden Figuren beziehen, in denen:

1 eine schematische Darstellung von ausgewählten Abschnitten eines beispielhaften induktiven Positionssensors darstellt, der Verarbeitungsschaltungen gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2 eine schematische Darstellung des beispielhaften induktiven Positionssensors von 1, der eine beispielhafte Ausgestaltung einer Sendeantenne, einer Empfangsantenne und eines Gliedes umfasst, das eine Ferritbeschichtung aufweist, gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3A eine Ausführungsform einer Cosinuswicklung eines beispielhaften induktiven Positionssensors gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3B eine Ausführungsform einer Sinuswicklung eines beispielhaften induktiven Positionssensors gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 eine Ausführungsform einer Positionssensor-Baugruppe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
5 eine Ausführungsform einer Positionssensor-Baugruppe zum Detektieren einer relativen Position zwischen einem Dämpferkörper und einem Kolben eines Dämpfers gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Abtasten einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird ausführlich auf Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird als Erklärung der Ausführungsformen und nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Tatsächlich wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Abwandlungen und Varianten an den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich oder Erfindungsgedanken der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil von einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, sodass sich noch eine weitere Ausführungsform ergibt. Somit wird beabsichtigt, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung solche Abwandlungen und Varianten abdecken.
Beispielhafte Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Positionssensoren und insbesondere auf induktive Positionssensoren. Ein weichmagnetisches Material, wie beispielsweise Ferrit, kann verwendet werden, um ein „Punktziel“ für den induktiven Sensor zu bilden, indem ein Abschnitt einer Oberfläche eines leitfähigen Gliedes vor dem induktiven Sensor „verborgen“ wird. Genauer gesagt, können Eigenschaften des Ferritmaterials so gewählt werden, dass einerseits die Interaktion zwischen dem leitfähigen Glied und dem Sensorelement und anderseits die Interaktion zwischen dem weichmagnetischen Ferritmaterial und dem Sensorelement ungefähr ausgeglichen werden. Mit anderen Worten, können die Feldsteigerung von dem Ferrit und die Feldverminderung von dem Metall ungefähr gleich werden und derart entgegengesetzt sein, dass die Wirkung auf den induktiven Sensor im Wesentlichen gleich wie ein Nichtvorhandensein von Material (z. B. Luft oder Vakuum) ist.
Bei einem ungefähren Ausgleich kann das leitfähige Glied unter dem Ferritmaterial eine zu vernachlässigende Wirkung auf das Sensorelement aufweisen. So kann das Ferritmaterial Abschnitte des leitfähigen Gliedes, die von dem Ferritmaterial bedeckt sind, wirksam verbergen. Ein Abschnitt des leitfähigen Gliedes, der nicht von dem Ferritmaterial bedeckt ist, kann dann als ein Punktziel für den induktiven Positionssensor dienen.
Innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung können eine Vielzahl von induktiven Positionssensoren mit „Punktziel“ verwendet werden. Allgemein gesagt, können induktive Positionssensoren als Sensoren mit „Punktziel“ oder „integrierendem Ziel“ eingestuft werden. Auf jeden Fall kann der Sensor selbst so lange wie die zu messende Bewegung sein. Die Überlappung eines sich bewegenden Teils mit dem Sensor kann durch einen Sensor mit integrierendem Ziel gemessen werden oder eine Position eines kleinen Ziels, das auf dem sich bewegenden Teil platziert ist, kann durch einen Punktzielsensor gemessen werden.
Einige Punktzielsensoren arbeiten mit einem Resonanzziel, einem Metallziel oder einem weichmagnetischen Ziel, wie beispielsweise Ferrit. Solche Ziele ändern typischerweise lokal die gegenseitige Induktivität oder Eigeninduktivität von einer oder mehreren Spulen des Sensors in der Nähe des Ziels. Die Spule/n können derart an dem Sensor angebracht sein, dass die Position des Ziels und seine Wirkung auf die Sensorspule/n unter Verwendung von Abfrageelektronik festgestellt werden können.
Als ein Beispiel für einen integrierenden Sensor kann eine Magnetspule, die einen beweglichen Magnetkern aufweist, als das Ziel wirken. Die Induktivität der Magnetspule kann gemäß der Überlappung des Magnetkerns mit dem Sensor variieren. Magnetspulen tasten intrinsisch den Betrag der Überlappung anstatt einer Position des Endes (z. B. einer Endseite) des Kerns ab.
Induktive Systeme messen eine Überlappung durch wirksames Integrieren der Auswirkung des langen Zieles entlang der Länge des Sensors. Aber die Auswirkung eines Ziels auf den Sensor kann von einer Anzahl von Entfernungen abhängen, die mit dem Sensorsystem verbunden sind, wie beispielsweise eine Trennungsentfernung zwischen dem Ziel und dem Sensor.
Punktzielsysteme können ausgelegt sein, Änderungen auszugleichen, die von Änderungen bei der Trennungsentfernung verursacht werden. Eine Art, einen solchen Ausgleich zu bewerkstelligen, ist der Vergleich von Signalen von verschiedenen Spulen, die Gesamtsignalstärke könnte beeinträchtigt sein, aber die relative Beziehung von Signalen von verschiedenen Spulen, in denen die Positionsinformationen codiert werden, wird bei sich ändernder Trennung gewahrt.
Für ein System mit integrierendem Ziel würden gewisse Änderungen bei der Trennung zum Ziel eine ähnliche Wirkung aufweisen. Die Gesamtsignalstärke kann geändert werden, aber die Positionsinformationen werden allgemein gewahrt. Die Verfahren zum Vergleichen von Signalen von verschiedenen Spulen können verwendet werden. Änderungen bei der Trennung, die entlang der Länge der Überlappung (zum Beispiel diejenigen, die durch eine Fehlausrichtung einer Sensorachse des Sensors und einer Zielbewegungsachse des Zieles verursacht werden) können indes sowohl eine Änderung bei der Gesamtsignalstärke als auch eine Änderung bei den Positionsinformationen verursachen, die in den Sensorsignalen/Induktivitäten/gegenseitigen Induktivitäten codiert sind. Die durch solche „Schrägstellungen“ erzeugten Positionsfehler können sehr bedeutend sein. Dies ist der Fall, da Positionsinformationen, die von einem Punkt entlang der Zielüberlappung stammen, wo das „Signal“ aufgrund einer Schrägstellung stärker ist, ein höheres Gewicht in der abgetasteten Position aufweisen.
Aus diesem Grund neigen praktische Systeme mit integrierendem Ziel dazu, Kreissymmetrie zu verwenden. Als ein Beispiel könnte ein Ziel einen Stab umfassen und ein Sensor kann eine gewickelte Spule umfassen, die das Ziel umgibt. Als ein anderes Beispiel könnten Planarspulen auf einer gedruckten Leiterplatte von einem rohrförmigen Ziel eingehüllt sein. In solchen Ausgestaltungen wird die Gesamtwirkung von geometrischen Änderungen zwischen dem Ziel und dem Sensor von der Kreissymmetrie des Ziels und Sensors minimiert.
Eine solche Symmetrie kann indes nicht immer kosteneffektiv oder machbar sein, zum Beispiel aufgrund von Raumeinschränkungen. Dieser Nachteil für integrierende Sensoren kann ein relativer Vorteil für Punktzielsensoren sein, die typischerweise gegenüber einem größeren Bereich von geometrischen Änderungen zwischen dem Ziel und dem Sensor unempfindlich sind. Ein weiterer Vorteil von Punktzielsensoren gegenüber integrierenden ist, dass sie für eine gegebene Messlänge typischerweise kürzer sind.
Die Geometrie von einigen Anwendungen kann für Punktzielsensoren weniger als ideal sein. Induktive Sensoren sind natürlich empfindlich gegenüber leitfähigen und weichmagnetischen Objekten. Idealerweise sollte das einzige leitfähige oder magnetische Objekt innerhalb eines Einflussfeldes des Sensors das Ziel sein. Dies ist indes nicht immer möglich.
Als ein Beispiel wird das Problem der Messung eines Hydraulikzylinders oder Dämpfers mit einem induktiven Sensor betrachtet. Ein langer induktiver Sensor auf Basis einer gedruckten Leiterplatte kann in der Nähe oder innerhalb eines Teils des Dämpfers platziert sein, eine relativ kompakte und kosteneffektive Lösung. Eine solche Ausgestaltung würde natürlich ein integrierendes Ziel bilden, wobei die Überlappung von Sensor und Ziel gemessen würde. Wie vorhergehend erörtert, weist eine solche Ausgestaltung indes erhebliche Messgenauigkeitsfehler auf, wenn die „lockeren“ geometrischen Toleranzen, die für diese Anwendung typisch sind, umfasst sind; ferner erfordert die integrierende Ausgestaltung typischerweise einen längeren Sensor. Zum Umwandeln der Geometrie in einen Punktzielsensor (der sämtliche von den Vorteilen der Punktziele bereitstellt) könnte ein Ziel derart auf dem Dämpfer platziert werden, dass es näher an der bzw. den Sensorspule/n positioniert ist als der überlappende Körper. Aber wenn der Sensor und das Ziel nicht in einer großen Entfernung von dem überlappenden Dämpferkörper untergebracht sind, würde der induktive Sensor zwei „Signale“ auffangen. Ein Signal würde von dem Punktziel stammen und ein anderes Signal würde von dem Dämpferkörper stammen, der sich wie ein integrierendes Ziel verhalten würde. Dieses zweite Signal würde die Messung stören und eine erhöhte Empfindlichkeit für geometrische Toleranzen einführen.
Wie vorhergehend angegeben, richten sich Aspekte der vorliegenden Offenbarung auf die Verwendung eines bzw. einer abschirmenden „verhüllenden“ Materials oder Struktur zum „Verbergen“ von Objekten vor dem induktiven Sensor. In der Dämpferanwendung kann ein Abschnitt an der Oberseite des Dämpferkörpers freiliegend gelassen werden und als ein Punktziel wirken. Eine solche Ausgestaltung würde Vorteile der Punktziele verschaffen, die das Aufrechterhalten von Positionsgenauigkeit gegenüber Änderungen in der Abstandsentfernung umfassen. Der Dämpferkörper weiter unterhalb des oberen Abschnitts würde von dem Ferritverhüllungsmaterial bedeckt, das wenig oder keinen Einfluss auf den induktiven Sensor hätte. Um diese Wirkung zu bewerkstelligen, können Eigenschaften der Abschirmungsschicht derart gewählt werden, dass die Abschirmungsschicht in Kombination mit dem darunterliegenden leitfähigen Metall idealerweise weder die Induktivität und gegenseitige Induktivität vermindert, wie dies bei einem Leiter typischerweise der Fall wäre, noch die Induktivität oder gegenseitige Induktivität erhöht, wie dies bei einem magnetischen Material, wie beispielsweise Ferrit, normalerweise der Fall wäre.
Eine Abschirmungsstruktur kann auf der Oberseite eines leitfähigen Zylinders gebildet werden, die bei einer gewissen Trennung das Vorhandensein des leitfähigen Zylinders gegenüber dem induktiven Sensor erfolgreich maskiert oder abschirmt. Zum Beispiel weisen Ferrit und leitfähiges Metall nahezu gleiche und entgegengesetzte Wirkungen auf den Sensor auf. Die Arten, auf die Ferrit und leitfähiges Metall den Sensor als eine Funktion der Entfernung beeinflussen, unterscheiden sich leicht, was das Ausgleichen ihrer Einflüsse über einen Bereich von Trennungen erschweren kann. In einigen Ausführungsformen kann die „verhüllende“ Abschirmungsschicht auch verwendet werden, um andere interferierende Objekte vor einem induktiven Sensor zu verbergen oder zu verhüllen, was nützlich sein kann, wenn das Abschirmen des Sensors selbst unpraktisch ist.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um einen Zielbereich auf einem vorhergehend „merkmalslosen“ Schaft zu bilden oder zu „markieren“. Mit anderen Worten, anstatt ein Merkmal aufzubauen, das als ein Ziel wirken soll, kann ein Ziel durch „Verhüllen“ anderer Teile des Schafts gebildet werden. Die verhüllende Struktur kann als ein Ferritaufkleber oder Farbe gebildet sein, der bzw. die auf eine Oberfläche des Objekts aufgebracht wird.
Gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein induktiver Positionssensor so ausgestaltet sein, dass er eine relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert. Der induktive Positionssensor kann Sendewicklungen und Empfangswicklungen umfassen, die so ausgestaltet sind, dass sie den Ort von leitfähigen oder weichmagnetischen Objekten basierend auf elektromagnetischer Interaktion zwischen den Wicklungen und den leitfähigen oder weichmagnetischen Objekten detektieren. Die Wicklungen können an eines von den Gliedern (z. B. ein erstes Glied) gekoppelt sein. Wie hier verwendet, kann ein erstes Objekt, das an ein zweites Objekt „gekoppelt“ ist, bezeichnen, dass das erste Objekt direkt „auf“ dem zweiten Objekt oder einer anderen Struktur „angeordnet“ und/oder auf eine andere Weise daran befestigt ist, oder das Objekt derart an dem zweiten Objekt befestigt ist, dass die relative Bewegung zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt minimiert wird.
Eine Abschirmungsschicht kann über einem Abschnitt eines anderen Gliedes (z. B. eines zweiten Gliedes) angeordnet sein, um einen Teil des zweiten Gliedes derart zu „maskieren“, „verhüllen“ oder „abzuschirmen“, dass ein nicht abgeschirmter oder freiliegender Abschnitt als ein Markierer oder ein Ziel für den Sensor (z. B. als ein „Punktziel“) verwendet werden kann. Genauer gesagt, kann eine relative Position des freiliegenden Abschnitts des zweiten Gliedes basierend auf elektromagnetischer Interaktion zwischen den Wicklungen und dem freiliegenden Abschnitt des zweiten Gliedes detektiert werden, das aus einem leitfähigen Material gebildet sein kann.
Die Abschirmungsschicht kann ein Material mit hoher Permeabilität, wie beispielsweise Ferrit, Mu-Metall oder ein anderes ähnliches weichmagnetisches Material umfassen. Die Abschirmungsschicht kann über einem Metall oder anderen leitfähigen Material gebildet sein und/oder dieses umfassen. Zum Beispiel kann die Abschirmungsschicht eine Schicht aus Material mit hoher Permeabilität über einer Schicht aus leitfähigem Material umfassen. Zum Beispiel kann die Abschirmungsschicht eine Schicht aus Ferrit umfassen, die über einer Schicht aus Kupfer (z. B. „Band“ aus Kupfer) gebildet ist.
Das Material mit hoher Permeabilität der Abschirmungsschicht kann ununterbrochen oder strukturiert sein. Eine solche Strukturierung könnte zum Beispiel lokale Veränderungen der Dicke umfassen. Zum Beispiel kann die Abschirmungsschicht in der Form von Streifen, Quadraten, geometrischen oder anderen sich wiederholenden Strukturen, derart, dass zumindest ein Abschnitt der Schicht aus leitfähigem Material freiliegt, strukturiert sein (z. B. Abschnitte mit einer „Dicke von null“ aufweisen). Solche Strukturen können eine bessere Steuerung der Abschirmungswirkung der Abschirmungsschicht bereitstellen als dies mit einer Lage des Materials mit hoher Permeabilität der Fall ist, die eine einheitliche Dicke aufweist.
Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen eine leitfähige Materialschicht zwischen der Abschirmungsschicht und dem Glied aufgebracht werden, an dem die Abschirmungsschicht aufgebracht ist. Die leitfähige Materialschicht kann sich auch über einen Teil oder den gesamten „freiliegenden Abschnitt“ des Gliedes erstrecken. Dies kann eine bessere Steuerung der präzisen Eigenschaften (z. B. Dicke, Leitfähigkeit usw.) des leitfähigen Materials unter der Abschirmungsschicht, und/oder das den „freiliegenden Abschnitt“ des Gliedes bedeckt, erleichtern.
In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Ferritzielschicht über einem Teil oder dem gesamten „freiliegenden Abschnitt“ gebildet sein, zum Beispiel, um als ein Ziel für den Sensor zu wirken. Anders als die Abschirmungsschicht, die so ausgestaltet sein kann, dass sie das Vorhandensein von leitfähigem Material maskiert (z. B. das Glied, auf dem die Abschirmungsschicht gebildet ist, oder eine leitfähige Schicht, die über dem Glied gebildet ist), wie hier beschrieben, kann die Ferritzielschicht so ausgestaltet sein, dass sie derart mit dem Sensor interagiert, dass der Sensor verwendet werden kann, um die relative Position der Ferritzielschicht in Bezug auf den Sensor zu detektieren. So kann der „freiliegende Abschnitt“ des Gliedes auch einen beliebigen Abschnitt des Gliedes bezeichnen, der nicht von der Abschirmungsschicht bedeckt ist.
Ferrit- und leitfähige Materialien können unterschiedliche (z. B. ungefähr gleiche und/oder entgegengesetzte) Wirkungen in dem induktiven Sensorelement erzeugen. Genauer gesagt, können eine oder mehrere Eigenschaften der Abschirmungsschicht ausgewählt werden, um elektromagnetische Interaktion zwischen dem induktiven Sensorelement und dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes zu vermindern oder zu minimieren. Zum Beispiel können magnetische Permeabilität, elektrische Leitfähigkeit, eine Dicke, Strukturen innerhalb des Abschirmungsmaterials (z. B. Ferrit) oder dergleichen gewählt werden, um die Wirkung auf das induktive Sensorelement, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes verursacht wird, zu vermindern (z. B. zu minimieren).
Die Abschirmungsschicht kann innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung auf eine Vielzahl von geeigneten Arten aufgebracht werden. Zum Beispiel kann die Abschirmungsschicht als eine Flüssigkeit (z. B. als eine „Farbe“) aufgebracht werden, die anschließend trocknet, um die Abschirmungsschicht zu bilden. Als ein anderes Beispiel kann eine vorgehend gebildete Lage an der Oberfläche des Gliedes (z. B. als ein „Aufkleber“) fixiert oder zum Haften gebracht werden.
Zusätzlich können der freiliegende Abschnitt des zweiten Gliedes und das induktive Sensorelement durch eine Abstandsentfernung voneinander beabstandet sein. Diese Abstandsentfernung kann so gewählt werden, dass sie die elektromagnetische Interaktion zwischen dem induktiven Sensorelement und dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes vermindert oder minimiert. So kann in einigen Ausführungsformen eine Kombination der Abstandsentfernung und von Eigenschaften der Abschirmungsschicht selektiv gesteuert werden, um die elektromagnetische Interaktion zwischen dem induktiven Sensorelement und dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes derart zu minimieren, dass der Sensor die relative Position des freiliegenden Abschnitts des zweiten Gliedes detektieren kann, um die relative Position zwischen dem ersten und dem zweiten Glied zu detektieren.
Der Einsatz einer Abschirmungsschicht, wie hier offenbart, kann das Detektieren der relativen Position zwischen zwei Gliedern ohne die Verwendung eines höheren Ziels ermöglichen. An sich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung die Herstellungskosten vermindern, die mit der Herstellung des Sensors und/oder Zieles verbunden sind. Zusätzlich kann der daraus resultierende Sensor kompakter sein als Sensoren des Standes der Technik und/oder weniger magnetische Interferenz mit nahegelegenen Bauteilen oder Sensoren erzeugen, die gegenüber magnetischen und/oder elektrischen Feldern empfindlich sind. In einigen Ausführungen kann ein bestehendes System vom integrierenden Typ in ein Punktsystem umgewandelt werden, zum Beispiel durch nachträgliches Einbauen einer Abschirmungsschicht gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Die hier offenbarten Systeme und Verfahren können auch Vorteile gegenüber „integrierenden“ Systemen bereitstellen, die eine überlappende Entfernung zwischen einem länglichen Ziel (z. B. Metallkörper) und induktivem Sensor messen. Solche Systeme können empfindlich gegenüber relativen Fehlausrichtungen zwischen einer Achse des induktiven Sensors und einer Achse des Ziels (z. B. einer „Schrägstellung“) sein. Solche Systeme setzen allgemein kreisförmig symmetrische Wicklungsausgestaltungen ein, die sich um das Glied wickeln, um diese Wirkungen zu vermindern. Solche symmetrischen Ausgestaltungen sind indes nicht immer kosteneffektiv oder machbar (z. B. aufgrund von Raumeinschränkungen). Die vorliegend offenbarten Systeme und Verfahren sind im Gegensatz dazu allgemein weniger empfindlich gegenüber relativer Fehlausrichtung und/oder unbeabsichtigter Bewegung zwischen dem induktiven Sensorelement und dem freiliegenden Abschnitt des zweiten Gliedes. Zusätzlich können die vorliegend offenbarten Systeme ohne eine solche kostspielige Ausgestaltung erfolgreich ausgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen kann der induktive Positionssensor so ausgestaltet sein, dass er die relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert. Der induktive Positionssensor kann ein induktives Sensorelement, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist, und eine Abschirmungsschicht umfassen, die über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes derart gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Die Abschirmungsschicht kann so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf induzierte Signale in dem induktiven Sensorelement vermindert, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes verursacht wird.
In einigen Ausführungsformen kann der induktive Positionssensor Verarbeitungsschaltungen umfassen, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf Änderungen bei einer elektromagnetischen Eigenschaft des freiliegenden Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht Ferrit umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die höher als 10 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die niedriger als 10 ist.
In einigen Ausführungsformen kann das zweite Glied entlang einer Achse länglich sein, die parallel zu einer Längsrichtung ist. Das zweite Glied kann in der Längsrichtung relativ zu dem induktiven Sensorelement linear beweglich sein.
In einigen Ausführungsformen kann das induktive Sensorelement eine Sendewicklung und eine Empfangswicklung umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche von dem induktiven Sensor um eine Abstandsentfernung in einer seitlichen Richtung beabstandet sein, die senkrecht zu der Längsrichtung ist. Die Abstandsentfernung kann in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm, in einigen Ausführungsformen von etwa 2 mm bis etwa 25 mm, in einigen Ausführungsformen von etwa 3 mm bis etwa 15 mm und in einigen Ausführungsformen von etwa 4 mm bis etwa 10 mm liegen.
In einigen Ausführungsformen kann das zweite Glied mindestens eines von einem Kolben oder einem Außenzylinder eines Dämpfers sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine Schicht aus Ferrit umfassen, die über einer Schicht aus leitfähigem Material gebildet ist. Die Ferritschicht der Abschirmungsschicht kann eine sich wiederholende Struktur derart bilden, dass mindestens ein Abschnitt der Schicht aus leitfähigem Material freiliegt.
Ein anderer beispielhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf einen Positionssensor für einen Dämpfer. Der Positionssensor kann so ausgestaltet sein, dass er die relative Position zwischen einem Dämpferkörper und einem Kolben detektiert, der innerhalb des Dämpferkörpers aufgenommen ist. Der Kolben kann relativ zu dem Dämpferkörper in einer Längsrichtung verschiebbar sein. Der Positionssensor kann ein induktives Sensorelement umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es an eines von dem Dämpferkörper oder dem Kolben zu koppeln ist. Der Positionssensor kann eine Abschirmungsschicht umfassen, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche von dem anderen des Dämpferkörpers oder des Kolbens gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Der Positionssensor kann Verarbeitungsschaltungen umfassen, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des Dämpferkörpers relativ zu dem Kolben basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften des freiliegenden Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und des abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf die induzierten Signale in dem induktiven Sensorelement, die von dem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche verursacht wird, vermindert.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die höher als 10 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die niedriger als 10 ist.
In einigen Ausführungsformen können das induktive Sensorelement und der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche in einer seitlichen Richtung, die senkrecht zu der Längsrichtung ist, um eine Abstandsentfernung voneinander beabstandet sein. Die Abstandsentfernung kann in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm liegen.
Ein anderer beispielhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf ein Verfahren zum Abtasten einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied. Das Verfahren kann das Bereitstellen eines induktiven Sensorelements umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist. Das Verfahren kann das Detektieren von einem oder mehreren Signalen umfassen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften eines freiliegenden Abschnitts einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und eines abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben. Eine Abschirmungsschicht kann derart über dem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet sein, dass der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf die in dem induktiven Sensor induzierten Signale vermindert, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes bewirkt wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die höher als 10 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweisen, die niedriger als 10 ist.
Ein anderer beispielhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf einen induktiven Positionssensor, der so ausgestaltet ist, dass er die relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert. Der induktive Positionssensor kann eine Sendewicklung, die so ausgestaltet ist, dass sie an das erste Glied zu koppeln ist, eine Empfangswicklung, die so ausgestaltet ist, dass sie an das erste Glied zu koppeln ist, und eine Abschirmungsschicht umfassen, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Der induktive Positionssensor kann Verarbeitungsschaltungen umfassen, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf induzierten Signalen in der Empfangswicklung angeben, die aus einem oszillierenden Signal resultieren, das der Sendewicklung bereitgestellt wird. Die Bewegung des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied ändert die in der Empfangswicklung induzierten Signale basierend auf der Interaktion zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Gliedoberfläche und einem elektromagnetischen Feld, das von der Sendewicklung erzeugt wird.
1 stellt eine schematische Darstellung von ausgewählten Abschnitten eines beispielhaften Positionssensors 100 dar, der so ausgestaltet ist, dass er die relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied (in 1 nicht gezeigt) gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung detektiert. Der Positionssensor 100 kann ein induktives Sensorelement 101 umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied (in 1 nicht gezeigt) zu koppeln ist. In einigen Ausführungsformen kann das induktive Sensorelement 101 eine Sendeantenne 102 und eine Empfangsantenne 104 umfassen, die eine Cosinuswicklung 103 und/oder eine Sinuswicklung 105 umfassen kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Positionssensor 100 ein Kopplungselement 107 umfassen. Das Kopplungselement 107 kann einen freiliegenden Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes umfassen. Eine Abschirmungsschicht kann derart über einem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet sein, dass der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist. Das zweite Glied kann ein leitfähiges Material derart umfassen, dass die Bewegung des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied Signale, die in der Empfangsantenne 104 induziert werden, basierend auf der Interaktion zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und einem von der Sendeantenne 102 erzeugten elektromagnetischen Feld ändern kann.
Die Sendeantenne 102, die Cosinuswicklung 103 und die Sinuswicklung 105 können elektrisch mit entsprechenden Anschlüssen der Verarbeitungsschaltungen 110 verbunden sein. In diesem Beispiel sind die Verarbeitungsschaltungen 110 in der Form einer integrierten Halbleiter-Schaltungsvorrichtung, wie beispielsweise einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit - ACSIC) oder eines anwendungsspezifischen Standardprodukts (Application Specific Standard Product - ASSP). In anderen Beispielen können die Verarbeitungsschaltungen 110 mehrere zusammengeschaltete Vorrichtungen verwenden und/oder können unter Verwendung von einem oder mehreren geeigneten Bauteilen (z. B. elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise diskreten elektronischen Bauteilen) ausgeführt sein.
Wie in 1 gezeigt, können die Verarbeitungsschaltungen 110 eine Sende(TX)-Treiberstufe 112 umfassen, die so ausgestaltet sein kann, dass sie ein oszillierendes elektrisches Signal zur Lieferung an die Sendeantenne 102 erzeugt. In diesem Beispiel kann die TX-Treiberstufe 112 ein freischwingender Oszillator sein, der ein oszillierendes elektrisches Signal mit einer Antriebsfrequenz erzeugt, die von der Induktivität der Sendeantenne 102 und der Kapazität von einem oder mehreren Kondensatoren 113 bestimmt wird, die mit der Sendeantenne 102 parallelgeschaltet sind. Diese Antriebsfrequenz wird normalerweise gewählt, um in einem Bereich von etwa 100 kHz bis etwa 6 MHz zu liegen. Die Spitzenamplitude des oszillierenden elektrischen Signals kann in einem Bereich von etwa 10 mA bis 1000 mA liegen (z. B. etwa 50 mA). Wie hier verwendet, soll sich die Verwendung des Begriffs „etwa“ in Verbindung mit einem Zahlenwert auf innerhalb von 20 % des angegebenen Zahlenwerts beziehen.
Das Versorgen der Sendeantenne 102 mit einem oszillierenden Strom induziert elektromotorische Kräfte in der Cosinuswicklung 103 und der Sinuswicklung 105 der Empfangsantenne 104, wodurch Signale (z. B. Strom, Spannung usw.) in der Cosinuswicklung 103 und der Sinuswicklung 105 induziert werden können. Wie in 1 gezeigt, sind die Cosinuswicklung 103 und die Sinuswicklung 105 derart separate Wicklungen, dass separate Signale in der Cosinuswicklung 103 und der Sinuswicklung 105 induziert werden können. Die Cosinuswicklung 103 und die Sinuswicklung 105 sind elektrisch mit separaten Anschlüssen der Verarbeitungsschaltungen 110 verbunden, wobei die Signale der Cosinuswicklung 103 verarbeitet werden, um ein Cosinusausgangssignal 123 bereitzustellen, und die Signale der Sinuswicklung 105 verarbeitet werden, um ein Sinusausgangssignal 125 bereitzustellen. Die jeweiligen Größen und Polaritäten des Cosinusausgangssignals 123 und des Sinusausgangssignals 125 zeigen die relative Position (z. B. die relative lineare Verlagerung) des ersten Gliedes und des zweiten Gliedes an.
Beim Eintritt in die Verarbeitungsschaltungen 110 können Signale in der Cosinuswicklung 103 zuerst eine EMC-Filterstufe 115 durchlaufen, wodurch Signalkomponenten bei Frequenzen vermindert werden können, die von der Antriebsfrequenz entfernt sind. Solche Signalkomponenten können zum Beispiel durch Interferenz von elektrischen Signalen verursacht werden, die von anderen elektrischen Bauteilen in der Nähe erzeugt werden.
Das gefilterte elektrische Signal kann dann eine Demodulationsstufe 117 durchlaufen, in der das gefilterte elektrische Signal mit einem Demodulationssignal von der TX-Antriebsstufe 112 gemischt werden kann. Das Demodulationssignal kann mit dem Antriebssignal phasengleich sein. In einigen Ausführungsformen kann das elektrische Signal von der Cosinuswicklung 103 um 180° von dem Antriebssignal phasenverschoben sein.
In einigen Ausführungsformen kann das demodulierte elektrische Signal eine Tiefpassfilterungsstufe 119 durchlaufen, um hohe Frequenzen von dem demodulierten elektrischen Signal zu entfernen. Das demodulierte elektrische Signal kann dann die Verstärkungs- und Ausgangspufferstufe 121 durchlaufen, die das Anwenden einer anpassbaren Verstärkung ermöglicht, bevor das Cosinusausgangssignal 123 von den Verarbeitungsschaltungen 110 ausgegeben wird.
Wie aus 1 ersichtlich, können in der Sinuswicklung 105 induzierte Signale auch EMC-Filterung 115, synchrone Demodulation 117, Tiefpassfilterung 119 und Verstärkungs- und Ausgangspufferung 121 innerhalb der Verarbeitungsschaltungen 110 durchlaufen, bevor sie als das Sinusausgangssignal 125 ausgegeben werden.
In einigen Ausführungsformen können die Sendeantenne 102, die Cosinuswicklung 103 und/oder die Sinuswicklung 105 von Leiterbahnen gebildet sein. Die Leiterbahnen können auf einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen Substrat gebildet sein, das an das erste Glied gekoppelt ist, zum Beispiel zum Bilden einer mehrschichtigen Struktur. In einigen Ausführungsformen kann der Sensor 100 das Zwischenkopplungselement 107 umfassen, das ein leitfähiges Material (z. B. eine Struktur aus leitfähigem Material) umfassen kann, das sich auf dem zweiten Glied befindet. In solchen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht über dem Zwischenkopplungselement 107 gebildet sein.
Es sollte indes verstanden werden, dass die Verarbeitungsschaltungen eine Signalnummer zum Darstellen der Position basierend auf Signalen berechnen können, die von der Cosinuswicklung 103 und/oder der Sinuswicklung 105 empfangen werden, ohne ein separates „Cosinusausgangssignal“ und/oder „Sinussignal“ zu verarbeiten, wie vorhergehend beschrieben.
2 stellt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Sendeantenne 102, Cosinuswicklung 103 und Sinuswicklung 105 des induktiven Sensorelements 101 von 1 gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die Sendeantenne 102, Cosinuswicklung 103 und Sinuswicklung 105 können an ein Substrat, wie beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte, gekoppelt sein. Die Sendeantenne 102, Cosinuswicklung 103 und Sinuswicklung 105 können als eine mehrschichtige Struktur ausgestaltet sein, wobei unterschiedliche Komponenten oder Abschnitte der Sendeantenne 102, Cosinuswicklung 103 und Sinuswicklung 105 in verschiedenen Schichten einer gedruckten Leiterplatte oder eines anderen Substrats angebracht sind.
Ein zweites Glied 140 kann eine Abschirmungsschicht 142 umfassen, die über einem abgeschirmten Abschnitt (in 2 mit Kreuzschraffur angegeben) einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes 140 derart gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt 144 der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht 142 ist. Bewegung des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied 140 (z. B. wie mit dem Pfeil 146 in 2 veranschaulicht) kann basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften (z. B. induzierte Wirbelströme, magnetische Permeabilität usw.) des freiliegenden Abschnitts 144 der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes 140 und des abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes 140 detektiert werden. Zum Beispiel kann das induktive Sensorelement 101 Wirbelströme in dem freiliegenden Abschnitt 144 und/oder Abschirmungsabschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes 140 detektieren. Zum Beispiel kann eine solche Bewegung einen Strom, der in der Empfangswicklung (z. B. der Cosinuswicklung 103, Sinuswicklung 105 oder beiden) induziert wird, basierend auf Interaktion zwischen dem freiliegenden Abschnitt 144 der Gliedoberfläche und einem elektromagnetischen Feld ändern, das von der Sendeantenne 102 erzeugt wird, zum Beispiel wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben.
Die Abschirmungsschicht 142 kann so ausgestaltet sein, dass sie eine Wirkung auf den induktiven Sensor 101 vermindert, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes 140 verursacht wird. Zum Beispiel können eine oder mehrere Eigenschaften der Abschirmungsschicht 142 (z. B. magnetische Permeabilität, Leitfähigkeit, Dicke, Abstand zwischen Ferritschicht und Metall, Struktur in der Ferritschicht usw.) und/oder Eigenschaften des darunterliegenden leitfähigen Metalls ausgewählt werden, um die Wirkung auf die Signale zu vermindern (z. B. zu minimisieren), die in dem induktiven Sensor 101 von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes 140 induziert werden. Zum Beispiel kann die Abschirmungsschicht 140 in einigen Ausführungsformen eine magnetische Permeabilität aufweisen, die höher als 10 ist. In anderen Ausführungsformen kann die Abschirmungsschicht 142 indes eine magnetische Permeabilität aufweisen, die niedriger als 10 ist. So kann die Abschirmungsschicht 142 den abgeschirmten Abschnitt derart „abschirmen“, dass die relative Stelle des freiliegenden Abschnitts 144 des zweiten Gliedes 140 einfacher oder genauer von der Empfangsantenne 104 detektiert werden kann.
Allgemein kann der abgeschirmte Abschnitt des zweiten Gliedes 140 größer als der freiliegende Abschnitt 144 des zweiten Gliedes 140 in der Nähe des induktiven Sensorelements 101 sein. Zum Beispiel kann der abgeschirmte Abschnitt des zweiten Gliedes 140 auf geeignete Weise relativ zu dem freiliegenden Abschnitt 144 in der Nähe des induktiven Sensors 101 derart groß sein, dass der freiliegende Abschnitt 144 als ein „Punkt“-Ziel für das induktive Sensorelement 101 wirken kann.
Das induktive Sensorelement 101 und der freiliegende Abschnitt 144 der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes 140 können um eine Abstandsentfernung 154 in einer seitlichen Richtung 152 beabstandet sein, die senkrecht zu der Längsrichtung 150 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandsentfernung in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm liegen. Die Abstandsentfernung kann so gewählt werden, dass die Wirkung auf die Signale, die in dem induktiven Sensorelement 101 induziert werden, mittels des abgeschirmten Abschnitts des zweiten Gliedes 140 (z. B. in der Empfangsantenne 104 induzierter Strom) vermindert (z. B. minimiert) wird. Mit anderen Worten, kann die Abstandsentfernung so gewählt werden, dass die „Abschirmungs-„Wirkung“ der Abschirmungsschicht 142 verbessert wird.
Das zweite Glied 140 kann entlang einer Achse 148 länglich sein, die parallel zu einer Längsrichtung 150 ist. Das zweite Glied 140 kann in der Längsrichtung 150 (von dem Pfeil 146 in 2 veranschaulicht) relativ zu dem induktiven Sensorelement 101 entlang der Achse 148 des zweiten Gliedes beweglich (z. B. linear beweglich) sein.
Unter Bezugnahme auf 3A und 3B können die Cosinuswicklung 103 und/oder die Sinuswicklung 105 in einigen Ausführungsformen mehrere Windungen und/oder Schleifen bilden. Zum Beispiel veranschaulicht 3A eine Ausführungsform der Cosinuswicklung 103, in der die Cosinuswicklung 103 zwei Windungen bildet. Mit anderen Worten, wiederholt sich die sinusförmige Struktur, während die Cosinuswicklung 103 über die Länge der Cosinuswicklung 103 verdoppelt ist, wie in 2 gezeigt.
Zusätzlich bildet unter Bezugnahme auf 3A die Cosinuswicklung 103 in diesem Beispiel drei Schleifen 156. 3B veranschaulicht eine Ausführungsform der Sinuswicklung 105, in der zwei Windungen gebildet sind. Zusätzlich bildet die Sinuswicklung 105 in diesem Beispiel zwei Schleifen 158. Es versteht sich indes, dass die Cosinuswicklung 103 und die Sinuswicklung 105 eine beliebige geeignete Anzahl von Windungen und/oder Schleifen bilden können. Zum Beispiel kann eine Anzahl von Schleifen der Cosinuswicklung 103 und/oder der Sinuswicklung 105 in einem Bereich von 1 bis etwa 10 oder mehr liegen, in einigen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 6. Eine Anzahl von Schleifen der Cosinuswicklung 103 und/oder Sinuswicklung 105 kann in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 oder mehr, in einigen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 6, liegen.
4 veranschaulicht Aspekte einer Ausführungsform einer Positionssensor-Baugruppe 200 der vorliegenden Offenbarung. Der Positionssensor 200 kann so ausgestaltet sein, dass er relative Bewegung in einer Längsrichtung 206 zwischen einem Sensorelement 202 und einem Glied 204 detektiert (durch den Pfeil 208 dargestellt). Das Sensorelement 202 kann an ein zusätzliches Glied gekoppelt sein (in 4 nicht gezeigt).
Das Sensorelement 202 kann eine oder mehrere Wicklungen (z. B. Sende- und Sensorwicklungen) umfassen, zum Beispiel wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 2 bis 3B beschrieben. Das Sensorelement 202 kann eine gedruckte Leiterplatte umfassen, auf der die Wicklungen als Leiterbahnen gebildet sind, zum Beispiel wie unter Bezugnahme auf 2 bis 3 beschrieben. Es versteht sich indes, dass ein beliebiger geeigneter Typ von induktivem Sensorelement 202 innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Spulenanordnung auf einem Sensorelement 202 minimal wie eine einzige Spule sein oder zum Beispiel zwei Spulen, mit „Fliegenform“ oder dreieckigen Formen, aufweisen. Innerhalb verschiedener Sende- und Empfangsausgestaltungen kann auch eine größere Anzahl an Spulen (z. B. drei oder mehr) eingesetzt werden. Zum Beispiel können mehrere Spulen mit Sinusform relativ zueinander translatorisch (z. B. um etwa 90 oder etwa 120 Grad) bewegt werden. Die Verarbeitungsschaltungen können ausgestaltet sein, sodass sie gegenseitige oder Selbstinduktivitätseigenschaften der Spulen detektieren.
Eine oder mehrere Abschirmungsschichten 212, 213 können über (dem) abgeschirmten Abschnitt/en einer Gliedoberfläche des Gliedes 204 gebildet sein. Ein freiliegender Abschnitt 214 der Gliedoberfläche des Gliedes 204 kann frei von der Abschirmungsschicht sein. Zum Beispiel können die Abschirmungsschichten 212, 213 in der Längsrichtung 206 voneinander beabstandet sein. Der freiliegende Abschnitt 214 kann zwischen den Abschirmungsschichten 212, 213 in der Längsrichtung angeordnet sein. Zusätzlich können sich eine oder beide von den Abschirmungsschichten 212, 213 in der Längsrichtung 208 über das Sensorelement 202 hinaus erstrecken. Die Abschirmungsschichten 212, 213 können derart bemessen sein, dass über einen Bewegungsbereich des Gliedes 204 relativ zu dem Sensorelement 202 nur der freiliegende Abschnitt 214, der sich zwischen den Abschirmungsschichten 212, 213 befindet, sich mit dem Sensorelement 202 in der Längsrichtung 206 schneidet. Die Bewegung (durch den Pfeil 208 veranschaulicht) des Gliedes 204 relativ zu dem Sensorelement 202 kann von dem Sensorelement 202 durch Detektieren von Änderungen bei einer elektromagnetischen Eigenschaft des freiliegenden Abschnitts 214 der Gliedoberfläche des Gliedes 204 detektiert werden.
Das Sensorelement 202 (das z. B. die Empfangswicklung und/oder Sendewicklung umfasst) kann von dem freiliegenden Abschnitt 214 der Gliedoberfläche des Gliedes 204 in einer seitlichen Richtung 216, die senkrecht zu der Längsrichtung 206 ist, um eine Abstandsentfernung 218 beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandsentfernung 218 in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm liegen.
Wie vorhergehend angegeben, kann bzw. können der bzw. die abgeschirmte/n Abschnitt/e des Gliedes 204 allgemein größer sein als der freiliegende Abschnitt 214 des Gliedes 204 in der Nähe des Sensorelements 202. Zum Beispiel können innerhalb einer Projektion eines Umkreises des Sensorelements 202 in der seitlichen Richtung 216 auf das Glied 204 50 % oder mehr, in einigen Ausführungsformen 70 % oder mehr, in einigen Ausführungsformen 80 % oder mehr, in einigen Ausführungsformen 90 % oder mehr und in einigen Ausführungsformen 95 % oder mehr von dem Glied 204 von den Abschirmungsschichten 212, 213 bedeckt sein.
Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen eine leitfähige Materialschicht zwischen der bzw. den Abschirmungsschicht/en 212, 213 und dem Glied 204 aufgebracht sein. Die leitfähige Materialschicht kann sich auch über einen Teil oder den gesamten freiliegenden Abschnitt 214 des Gliedes 204 erstrecken. Dies kann eine bessere Steuerung der präzisen Eigenschaften (z. B. Dicke, Leitfähigkeit usw.) des leitfähigen Materials unter der bzw. den Abschirmungsschicht/en 212, 213 und/oder das Bedecken des freiliegenden Abschnitts 214 des Gliedes erleichtern.
In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Ferritzielschicht über einem Teil oder dem gesamten freiliegenden Abschnitt 214 gebildet werden, zum Beispiel, um als ein Ziel für das Sensorelement 202 zu wirken. Anders als die Abschirmungsschicht/en 212, 213, die so ausgestaltet sein können, dass sie das Vorhandensein eines leitfähigen Materials (z. B. des Gliedes 204 oder einer auf dem Glied 204 gebildeten leitfähigen Schicht) maskieren, wie hier beschrieben, kann die Ferritzielschicht so ausgestaltet sein, dass sie derart mit dem Sensorelement 202 interagiert, dass das Sensorelement 202 die relative Position der Ferritzielschicht in Bezug auf das Sensorelement 202 detektieren kann. So kann der „freiliegende Abschnitt“ 214 des Gliedes 204 einen beliebigen Abschnitt des Gliedes 204 bezeichnen, der nicht von der/den Abschirmungsschicht/en 212, 213 bedeckt ist.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Positionssensor-Baugruppe 300 für einen Dämpfer gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Positionssensor-Baugruppe 300 kann so ausgestaltet sein, dass sie die relative Position zwischen einem Dämpferkörper 302 und einem Kolben 304, der innerhalb des Dämpferkörpers 302 aufgenommen ist, detektiert. Der Dämpferkörper 302 kann relativ zu dem Kolben 304 in einer Längsrichtung 306 verschiebbar sein (durch den Pfeil 308 dargestellt).
Ein Sensorelement 305 kann Wicklungen 310 (z. B. Sende- und Empfangswicklungen) umfassen, zum Beispiel wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 2 bis 3B beschrieben. Das Sensorelement 305 kann eine gedruckte Leiterplatte umfassen, auf der die Wicklungen als Leiterbahnen gebildet sind. Es versteht sich indes, dass innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung ein beliebiger geeigneter Typ von induktivem Sensorelement 305 verwendet werden kann. Das Sensorelement 305 kann an dem Kolben 304 oder einem Bauteil, das an dem Kolben 304 fixiert oder daran gekoppelt ist, derart fixiert oder daran gekoppelt sein, dass relative Bewegung zwischen dem Kolben 304 und den Wicklungen 310 minimiert oder beseitigt wird.
Verarbeitungsschaltungen, zum Beispiel wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, können eingesetzt werden, um von dem Sensorelement 305 empfangene Signale zu verarbeiten, um eine Position des Dämpferkörpers 302 relativ zu dem Kolben 304 zu detektieren. Es versteht sich indes, dass beliebige geeignete Verarbeitungsschaltungen innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung verwendet werden können.
Die Positionssensor-Baugruppe 300 kann eine Abschirmungsschicht 312 umfassen, die über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des Dämpferkörpers 302 gebildet ist. Ein freiliegender Abschnitt 314 der Gliedoberfläche des Dämpferkörpers 302 kann frei von der Abschirmungsschicht 312 sein. Bewegung (durch den Pfeil 308 veranschaulicht) des Dämpferkörpers 302 relativ zu dem Kolben 304 (und den Wicklungen 310) in einer Längsrichtung 306 kann basierend auf Änderungen bei einer elektromagnetischen Eigenschaft des freiliegenden Abschnitts 314 der Oberfläche des Dämpferkörpers 302 detektiert werden.
Die Sensorbaugruppe 305 kann um eine Abstandsentfernung 318 von dem freiliegenden Abschnitt 314 der Gliedoberfläche des Dämpferkörpers 302 in einer seitlichen Richtung 316 beabstandet sein, die senkrecht zu der Längsrichtung 306 ist. In einigen Ausführungsformen kann die Abstandsentfernung 218 in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm liegen.
Wie vorhergehend erwähnt, kann in einigen Ausführungsformen eine leitfähige Materialschicht zwischen der/den Abschirmungsschicht/en 312 und dem Dämpferkörper 302 aufgebracht sein. Die leitfähige Materialschicht kann sich auch über einen Teil oder den gesamten freiliegenden Abschnitt 314 des Dämpferkörpers 302 erstrecken. Dies kann eine bessere Steuerung der präzisen Eigenschaften (z. B. Dicke, Leitfähigkeit usw.) des leitfähigen Materials ermöglichen, das sich unter der Abschirmungsschicht 312 befindet und/oder den freiliegenden Abschnitt 314 des Dämpferkörpers 302 bedeckt.
In noch weiteren Ausführungsformen kann eine Ferritzielschicht über einem Teil oder dem gesamten freiliegenden Abschnitt 314 gebildet sein, zum Beispiel, um als ein Ziel für die Sensorbaugruppe 305 zu dienen. Anders als die Abschirmungsschicht 312, die so ausgestaltet sein kann, dass sie das Vorhandensein eines leitfähigen Materials (z. B. des Dämpferkörpers 302 oder einer auf dem Dämpferkörper 302 gebildeten leitfähigen Schicht) maskiert, die sich unter der Abschirmungsschicht 312 befindet, wie hier beschrieben, kann die Ferritzielschicht so ausgestaltet sein, dass sie derart mit der Sensorbaugruppe 305 interagiert, dass die Sensorbaugruppe 305 die relative Stelle der Ferritzielschicht in Bezug auf die Sensorbaugruppe 305 detektieren kann. So kann der „freiliegende Abschnitt“ 314 des Dämpferkörpers 302 einen beliebigen Abschnitt des Dämpferkörpers 302 bezeichnen, der nicht von der Abschirmungsschicht 312 bedeckt ist.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 600 zum Abtasten einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Obgleich 6 zu Zwecken der Veranschaulichung und Erörterung Schritte darstellt, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden, sind die hier erörterten Verfahren nicht auf irgendeine bestimmte Reihenfolge oder Anordnung beschränkt. Der Fachmann wird unter Verwendung der hier bereitgestellten Offenbarungen verstehen, dass verschiedene Schritte der hier offenbarten Verfahren auf verschiedene Arten weggelassen, umgeordnet, kombiniert und/oder angepasst werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Ferner kann das Verfahren 600 hier unter Bezugnahme auf die Positionssensoren 100, 200, 300 beschrieben werden, die vorhergehend unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben wurden. Es versteht sich indes, dass das offenbarte Verfahren 600 zum Abtasten einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied unter Verwendung eines induktiven Positionssensors verwendet werden kann, der eine beliebige andere geeignete Ausgestaltung aufweist.
Das Verfahren 600 kann bei (602) das Bereitstellen eines induktiven Sensorelements umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist. Zum Beispiel kann der induktive Sensor eine Sende- und/oder eine Empfangswicklung umfassen, die als eine mehrschichtige Struktur gebildet sein kann. Zum Beispiel können die Sende- und/oder Empfangswicklungen als Leiterbahnen auf einer oder mehreren gedruckten Leiterplatten gebildet sein. Die Sende- und/oder Empfangswicklungen können allgemein ausgestaltet sein, wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 2 bis 3B beschrieben.
Das Verfahren 600 kann bei (604) das Detektieren von einem oder mehreren Signalen umfassen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften eines freiliegenden Abschnitts einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und eines abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben, zum Beispiel wie vorhergehend unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben. Die Abschirmungsschicht kann derart über einem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet sein, dass der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist.
Obgleich der vorliegende Gegenstand unter Bezugnahme auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben wurde, wird der Fachmann beim Erlangen eines Verständnisses des Vorhergehenden ohne Weiteres Abwandlungen, Varianten und Äquivalente solcher Ausführungsformen herstellen. Dementsprechend ist der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung als Beispiel und nicht als Einschränkung gegeben und die vorliegende Offenbarung schließt nicht die Aufnahme solcher Abwandlungen, Varianten und/oder Zusätze, die für den Durchschnittsfachmann ohne Weiteres ersichtlich wären, zu dem vorliegenden Gegenstand aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62847507 [0001]

Claims

Induktives Positionssensorsystem, das so ausgestaltet ist, dass es die relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert, wobei der induktive Positionssensor umfasst: ein induktives Sensorelement, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist; und eine Abschirmungsschicht, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist, und wobei die Abschirmungsschicht so ausgestaltet ist, dass sie eine Wirkung auf induzierte Signale in dem induktiven Sensorelement, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes verursacht wird, vermindert.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, der ferner Verarbeitungsschaltungen umfasst, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften des freiliegenden Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und des abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsschicht Ferrit umfasst.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweist, die höher als 10 ist.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweist, die niedriger als 10 ist.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei das zweite Glied entlang einer Achse länglich ist, die parallel zu einer Längsrichtung ist, und das zweite Glied in der Längsrichtung relativ zu dem induktiven Sensorelement linear beweglich ist.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei das induktive Sensorelement mindestens eine Sendewicklung und eine Empfangswicklung umfasst.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche um eine Abstandsentfernung von dem induktiven Sensor in einer seitlichen Richtung beabstandet ist, die senkrecht zu der Längsrichtung ist.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 8, wobei die Abstandsentfernung in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 30 mm liegt.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei das zweite Glied mindestens eines von einem Kolben oder einem Außenzylinder eines Dämpfers umfasst.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsschicht eine Schicht aus Ferrit umfasst, die über einer Schicht aus leitfähigem Material gebildet ist.
Induktiver Positionssensor nach Anspruch 11, wobei die Ferritschicht der Abschirmungsschicht eine sich wiederholende Struktur derart bildet, dass mindestens ein Abschnitt der Schicht aus leitfähigem Material freiliegt.
Positionssensor für einen Dämpfer, wobei der Positionssensor so ausgestaltet ist, dass er eine relative Position zwischen einem Dämpferkörper und einem innerhalb des Dämpferkörpers aufgenommenen Kolben detektiert, wobei der Kolben relativ zu dem Dämpferkörper in einer Längsrichtung verschiebbar ist, wobei der Positionssensor umfasst: ein induktives Sensorelement, das so ausgestaltet ist, dass es an eines von dem Dämpferkörper oder dem Kolben zu koppeln ist; eine Abschirmungsschicht, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche von dem anderen von dem Dämpferkörper oder dem Kolben gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist; und Verarbeitungsschaltungen, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des Dämpferkörpers relativ zu dem Kolben basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften des freiliegenden Abschnitts der Gliedoberfläche und des abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche angeben.
Positionssensor nach Anspruch 13, wobei die Abschirmungsschicht so ausgestaltet ist, dass sie eine Wirkung auf Signale, die in dem induktiven Sensorelement induziert werden, die von dem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche verursacht wird, vermindert.
Positionssensor nach Anspruch 13, wobei die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweist, die höher als 10 ist.
Positionssensor nach Anspruch 13, wobei die Abschirmungsschicht eine magnetische Permeabilität aufweist, die niedriger als 10 ist.
Positionssensor nach Anspruch 13, wobei das induktive Sensorelement und der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche in einer seitlichen Richtung, die senkrecht zu der Längsrichtung ist, um eine Abstandsentfernung beabstandet sind.
Verfahren zum Abtasten einer relativen Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines induktiven Sensorelements, das so ausgestaltet ist, dass es an das erste Glied zu koppeln ist; und Detektieren von einem oder mehreren Signalen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf Unterschieden bei entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften eines freiliegenden Abschnitts einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes und eines abgeschirmten Abschnitts der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes angeben, wobei eine Abschirmungsschicht derart über dem abgeschirmten Abschnitt der Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass der freiliegende Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Abschirmungsschicht so ausgestaltet ist, dass sie eine Wirkung auf induzierte Signale in dem induktiven Sensorelement, die von dem abgeschirmten Abschnitt des zweiten Gliedes verursacht wird, vermindert.
Induktiver Positionssensor, der so ausgestaltet ist, dass er eine relative Position zwischen einem ersten Glied und einem zweiten Glied detektiert, wobei der induktive Positionssensor umfasst: eine Sendewicklung, die so ausgestaltet ist, dass sie an das erste Glied zu koppeln ist; eine Empfangswicklung, die so ausgestaltet ist, dass sie an das erste Glied zu koppeln ist; eine Abschirmungsschicht, die derart über einem abgeschirmten Abschnitt einer Gliedoberfläche des zweiten Gliedes gebildet ist, dass ein freiliegender Abschnitt der Gliedoberfläche frei von der Abschirmungsschicht ist; und Verarbeitungsschaltungen, die so ausgestaltet sind, dass sie ein oder mehrere Signale bereitstellen, die die Position des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied basierend auf in der Empfangswicklung induzierten Signalen angeben, die von einem oszillierenden Signal resultieren, das der Sendewicklung bereitgestellt wird; wobei die Bewegung des ersten Gliedes relativ zu dem zweiten Glied die induzierten Signale in der Empfangswicklung basierend auf Interaktion zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Gliedoberfläche und einem von der Sendewicklung erzeugten elektromagnetischen Feld ändert.