DE102021112345A1

DE102021112345A1 - Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglich gelagerten Antriebsbauteils eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021112345A1
Application number: DE102021112345.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Feindler; Peter Vincon
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-17
Also published as: WO2022238238A1; EP4337917A1; CN117677823A

Abstract

Es wird eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38), insbesondere eine induktive Winkelpositionsbestimmungsvorrichtung, zur Bestimmung einer Position und/oder einer Bewegung eines beweglich gelagerten Antriebsbauteils (10), aufweisend: das Antriebsbauteil (10), welches aus zumindest im Wesentlichen zumindest elektrisch nichtleitenden Materialien ausgebildet ist, und ein, insbesondere zumindest in das Antriebsbauteil (10) integriertes und/oder auf dem Antriebsbauteil (10) befestigtes, Geberelement (12), welches sich mit einer Bewegung des Antriebsbauteils (10) mitbewegt, und welches aus einem metallischen, zumindest im Wesentlichen unmagnetischen und zumindest im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, wobei das Geberelement (12) dazu vorgesehen ist, zur Positionsbestimmung mit einem Sensormodul (14) wechselzuwirken, und wobei eine Dichte des Materials des Geberelements (12) wesentlich größer ist als eine, insbesondere mittlere, Dichte des Antriebsbauteils (10), vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem Anspruch 1, ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach dem Anspruch 16, ein induktives Positions- und/oder Bewegungsbestimmungsverfahren nach dem Anspruch 17 und ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Geberelements für eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung nach dem Anspruch 18.
Es sind bereits Positionsbestimmungsvorrichtungen für bewegliche Antriebsbauteile in Fahrzeugen vorgeschlagen worden. Häufig basieren diese wie die Vorrichtung aus der US 10,756,602 B2 auf Hall-Sensoren, was bei zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu Konflikten bzw. Fehlmessungen durch die Hall-Sensoren beeinflussende elektromagnetische Strahlung von Hochvoltbordnetzen der zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeuge führen kann. Das Funktionsprinzip zu einer induktiven Positionsbestimmung für bewegliche Antriebsbauteile in Fahrzeugen ist ebenfalls bekannt, die verwendeten Metalltargets sind jedoch in der Regel massereich bzw. schwer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Positionsbestimmung von beweglichen Antriebsbauteilen in zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 16, 17 und 18 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Vorteile der Erfindung
Es wird eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung, insbesondere eine induktive Winkelpositionsbestimmungsvorrichtung, zur Bestimmung einer Position und/oder einer Bewegung eines beweglich, insbesondere rotatorisch beweglich, gelagerten Antriebsbauteils, vorgeschlagen, welche das Antriebsbauteil, welches aus zumindest im Wesentlichen zumindest elektrisch nichtleitenden Materialien ausgebildet ist, und ein, insbesondere zumindest in das Antriebsbauteil integriertes und/oder auf dem Antriebsbauteil befestigtes, Geberelement, welches sich mit einer, insbesondere rotatorischen, Bewegung des Antriebsbauteils, vorzugsweise mit einer rotatorischen Antriebsbewegung des Antriebsbauteils mitbewegt, und welches aus einem metallischen, zumindest im Wesentlichen unmagnetischen und zumindest im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, aufweist, wobei das Geberelement dazu vorgesehen ist, zur Positionsbestimmung mit einem, insbesondere induktiven, Sensormodul wechselzuwirken, und wobei eine Dichte des Materials des Geberelements wesentlich größer ist als eine, insbesondere mittlere, Dichte des Antriebsbauteils, insbesondere des Antriebsbauteils ohne das Geberelement. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Eignung für elektrisch angetriebene Fahrzeuge erreicht werden, insbesondere indem ein ohne statische Magnetfelder auskommendes Wirkprinzip mit einer Leichtbauweise vorteilhaft kombiniert wird. Vorteilhaft kann durch das induktive Wirkprinzip eine gute elektromagnetische Verträglichkeit erreicht werden. Vorteilhaft kann eine geringe Störanfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung erreicht werden. Vorteilhaft kann durch das induktive Wirkprinzip ein Risiko einer Beeinflussung durch elektromagnetische Strahlung von Hochvoltbordnetzen zumindest teilweise elektrisch angetriebener Fahrzeuge gering gehalten werden. Vorteilhaft kann zugleich eine insgesamt vergleichsweise niedrige Dichte und damit ein verbundenes geringes Gesamtgewicht erreicht werden. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Insbesondere ist eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung dazu vorgesehen, in einem Metalltarget, insbesondere in einem Geberelement, gezielt erzeugte Wirbelstromfelder zu detektieren und basierend auf den empfangenen Signalen eine Positionsbestimmung des Metalltargets, insbesondere des Geberelements, vorzunehmen. Unter einem „Antriebsbauteil“ soll insbesondere ein Bauteil eines Antriebssystems verstanden werden, welches bei einer Aktivierung des Antriebs selbst in Bewegung gerät. Das Antriebsbauteil ist insbesondere als ein Zahnrad, als eine Welle oder dergleichen ausgebildet. Insbesondere kann das Antriebsbauteil auch als ein beweglich gelagertes Teil eines Getriebes, insbesondere des Antriebssystems, ausgebildet sein. Das Antriebssystem umfasst insbesondere einen elektrischen Motor, beispielsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) oder einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor (DC-Motor). Das Antriebssystem umfasst ein Getriebe, beispielsweise ein Getriebe mit einem Stirnrad-Schneckenrad-Satz oder eine Kombination aus Stirnradstufen mit einem oder mehreren Schneckenrädern.
Unter einem „im Wesentlichen elektrisch nichtleitenden Material“ soll insbesondere ein Material verstanden werden, welches eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 100 S/m, vorzugsweise weniger als 1 S/m, bevorzugt weniger als 10-² S/m und besonders bevorzugt weniger als 10^-4 S/m aufweist. Vorzugsweise soll unter dem „im Wesentlichen elektrisch nichtleitenden Material“ ein elektrischer Isolator verstanden werden. Unter einem „Geberelement“ soll insbesondere ein, ein induktives Positionsbestimmungssignal erzeugendes Element verstanden werden. Vorzugsweise soll unter dem „Geberelement“ das Metalltarget verstanden werden. Insbesondere ist das Geberelement dazu vorgesehen, induktiv mit dem, insbesondere induktiven, Sensormodul, insbesondere mit Sende- und Empfangsspulen des, insbesondere induktiven, Sensormoduls wechselzuwirken.
Darunter, dass das Geberelement in das Antriebsbauteil integriert ist, soll insbesondere verstanden werden, dass alle Seiten des Geberelements zumindest zu einem Teil von dem Antriebsbauteil, vorzugsweise von einem Hauptmaterial des Antriebsbauteils, umgeben sind. Insbesondere befindet sich ein in das Antriebsbauteil integriertes Geberelement zumindest teilweise in einem Inneren des Antriebsbauteils. Insbesondere bildet das in das Antriebsbauteil integrierte Geberelement einen integralen Bestandteil des Antriebsbauteils aus, welcher vorzugsweise nicht zerstörungsfrei aus dem Bauteil entfernt werden kann. Darunter, dass das Geberelement auf dem Antriebsbauteil befestigt ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Geberelement auf zumindest einer Oberfläche des Antriebsbauteils aufliegt und/oder montiert ist. Vorzugsweise wird das Geberelement mit einer Rotationsbewegung des Antriebsbauteils mitrotiert.
Unter einem „im Wesentlichen unmagnetischen Material“ soll insbesondere ein Material mit einer magnetischen Permeabilitätszahl größer als 4, vorzugsweise größer als 40 und bevorzugt größer als 400 verstanden werden. Vorzugsweise soll unter dem im Wesentlichen unmagnetischen Material ein nichtpermanentmagnetisches und/oder nicht-ferromagnetisches Material verstanden werden. Beispielsweise kann das im Wesentlichen unmagnetische Material als ein paramagnetisches Material, z.B. Aluminium, oder aus einem diamagnetischen Material, z.B. Kupfer, ausgebildet sein. Unter einem „im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Material“ soll insbesondere ein Material verstanden werden, welches eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10³ S/m, vorzugsweise mehr als 10⁴ S/m, bevorzugt mehr als 10⁵ S/m und besonders bevorzugt mehr als 10⁶ S/m aufweist. Vorzugsweise soll unter dem „im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Material“ ein elektrischer Leiter, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, verstanden werden. Unter einer „wesentlich größeren“ Dichte soll insbesondere eine um zumindest 25 % größere Dichte verstanden werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Dichte des Geberelements mindestens doppelt so groß ist wie die, insbesondere mittlere, Dichte des Antriebsbauteils und/oder, dass eine Gesamtmasse des Geberelements wesentlich geringer ist als eine Gesamtmasse des Antriebsbauteils, insbesondere als eine Gesamtmasse des Antriebsbauteils ohne das Geberelement. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders große Gewichtersparnis eines positionsbestimmbaren Antriebsbauteils erreicht werden. Insbesondere ist das Geberelement trotz einer im Vergleich zu dem Antriebsbauteil wesentlich höheren Dichte insgesamt leichter als das Antriebsbauteil. Insbesondere ist auch eine Kombination aus dem Geberelement und dem Antriebsbauteil leichter als ein theoretisches Antriebsbauteil, welches vollständig aus dem Material des Geberelements bestehen würde. Unter der Wendung „wesentlich geringer“ soll insbesondere zumindest 30 % geringer, vorzugsweise zumindest 50 % geringer, bevorzugt zumindest 100 % geringer und besonders bevorzugt zumindest 300 % geringer verstanden werden.
Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das Geberelement zumindest in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptbewegungsebene des Antriebsbauteils, vorzugsweise in alle Raumrichtungen, eine Dicke aufweist, welche wesentlich geringer ist als eine Dicke des Antriebsbauteils in derselben Richtung. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders große Gewichtersparnis eines positionsbestimmbaren Antriebsbauteils erreicht werden. Insbesondere ist das Geberelement zumindest zu einem Großteil flächig und/oder plättchenartig ausgebildet. Insbesondere bedeckt das auf dem Antriebsbauteil befestigte Geberelement auf jeder Seite des Antriebsbauteils höchstens einen Teil einer Oberfläche des Antriebsbauteils.
Wenn das Geberelement als ein, insbesondere dünnes, vorzugsweise plattenförmiges, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Antriebsbauteil verbundenes Auflageteil und/oder als ein in das Antriebsbauteil eingebrachtes Einlegeteil ausgebildet ist, kann vorteilhaft eine präzise Positionsbestimmung ermöglicht werden. Vorteilhaft folgt dadurch das Geberelement allen Bewegungen des Antriebsbauteils nahezu exakt. Unter einem „plattenförmigen“ oder „plättchenförmigen“ Objekt soll insbesondere ein Objekt verstanden werden, dessen Erstreckung in einer Haupterstreckungsebene des Objekts wesentlich größer ist, vorzugsweise zumindest dreimal so groß ist, wie alle Erstreckungen in Ebenen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Unter einer „Haupterstreckungsebene“ eines Objekts soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche parallel zu einer größten Seitenfläche eines kleinsten gedachten Quaders ist, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt, und insbesondere durch den Mittelpunkt des Quaders verläuft. Unter „stoffschlüssig verbunden“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Masseteile durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden, wie beispielsweise beim Löten, Schweißen, Kleben und/oder Vulkanisieren. Unter „formschlüssig“ soll insbesondere verstanden werden, dass aneinander liegende Flächen von miteinander formschlüssig verbundenen Bauteilen eine in Normalenrichtung der Flächen wirkende Haltekraft aufeinander ausüben. Insbesondere befinden sich die formschlüssig miteinander verbundenen Bauteile in einem geometrischen Eingriff miteinander. Ein als Einlegeteil ausgebildetes Geberelement kann beispielsweise zumindest bereichsweise / zumindest teilweise von dem Antriebsbauteil, insbesondere durch das Material des Antriebsbauteils, umspritzt ausgebildet sein.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Geberelement eine Dicke von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als 250 µm und bevorzugt weniger als 100 µm aufweist. Vorzugsweise weist das Geberelement zugleich eine Dicke von mehr als 10 µm, bevorzugt von mehr als 25 µm und besonders bevorzugt von mehr als 40 µm auf. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders leichtbauende und dennoch voll funktionsfähige induktive Positionsbestimmungsvorrichtung ermöglicht werden. Bei einer Herstellung des Geberelements in einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren kann das Geberelement auch eine Dicke von mehr als 500 µm aufweisen, um Verformungen des Geberelements durch Nachdruck- und/oder Abkühlprozesse möglichst gering zu halten.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Geberelement als eine Beschichtung des Antriebsbauteils ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine besonders leichtbauende und dennoch voll funktionsfähige induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit einer vorteilhaft hohen Haltbarkeit ermöglicht werden. Insbesondere ist das als Beschichtung ausgebildete Geberelement haftend auf eine Oberfläche des Antriebsbauteils aufgebracht.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das Antriebsbauteil aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildet ist. Dadurch können vorteilhafte Materialeigenschaften des Antriebsbauteils erreicht werden. Insbesondere können dadurch vorteilhafte magnetische Eigenschaften erreicht werden. Insbesondere können dadurch vorteilhafte elektrische Eigenschaften erreicht werden. Außerdem kann dadurch vorteilhaft die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung besonders leichtbauend ausgestaltet werden. Vorzugsweise ist das Antriebsbauteil zumindest teilweise, vorzugsweise zu einem Großteil und bevorzugt vollständig aus einem Polyamid, insbesondere aus einem Polyamid-Kunststoff mit einer Glasfaser-Verstärkung, ausgebildet.
Wenn das Antriebsbauteil zumindest teilweise aus einem galvanisierbaren Kunststoff, aus einem mittels Plasmadust-Technik beschichtbaren Kunststoff und/oder aus einem mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) beschichtbaren Kunststoff ausgebildet ist, kann eine vorteilhaft einfache Herstellung der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung erreicht werden. Vorteilhaft können dadurch besonders dünne Geberelemente ermöglicht werden. Vorzugsweise ist das Antriebsbauteil zumindest teilweise, vorzugsweise zu einem Großteil und bevorzugt vollständig aus dem Polyamid-Kunststoff mit der Glasfaser-Verstärkung, aus einem Polyphenylensulfid (PPS)-Kunststoff, aus einem Polyoxymethylen (POM)-Kunststoff und/oder aus einem Polyetheretherketon (PEEK)-Kunststoff ausgebildet.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Antriebsbauteil als ein Getriebebauteil, insbesondere als ein Zahnrad, ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine leichtbauende und/oder elektromagnetisch verträgliche Ausbildung von positionsbestimmbaren Getriebebauteilen, insbesondere Zahnrädern, ermöglicht werden. Das Getriebebauteil bildet insbesondere eine Komponente eines Getriebes aus. Ein Getriebe ist insbesondere ein Maschinenelement, mit dem Bewegungsgrößen, wie Kraft oder Drehmoment, geändert werden können. Das Getriebe ist insbesondere als ein Kurvengetriebe, als ein Rollengetriebe oder bevorzugt als ein Rädergetriebe, insbesondere ein Zahnriemengetriebe oder ein Zahnradgetriebe ausgebildet. Das Getriebebauteil ist insbesondere als eine Welle oder bevorzugt als ein Zahnrad ausgebildet. Das Zahnrad ist insbesondere als eine Zahnstange, als ein Kegelrad, als ein Schneckenrad oder bevorzugt als ein Stirnrad ausgebildet.
Wenn das Material des Geberelements, insbesondere abgesehen von Verunreinigungen ausschließlich, Kupfer ist, kann vorteilhaft eine Herstellung des Geberelements, insbesondere ein Aufbringen des Geberelements auf das Antriebsbauteil, mittels galvanischer Abscheidung ermöglich werden. Zudem kann vorteilhaft durch die gute elektrische Leitfähigkeit des Kupfers eine hohe Sensitivität erreicht werden. Wenn das Material des Geberelements alternativ, insbesondere abgesehen von Verunreinigungen ausschließlich, Aluminium ist, kann vorteilhaft eine kostengünstige und/oder besonders leichtbauende Ausgestaltung des Geberelements erreicht werden.
Wenn das Geberelement als zumindest ein Kreisringsegment ausgebildet ist, welches insbesondere höchstens einen Halbkreis, bevorzugt höchstens einen Drittelkreis, vorteilhaft höchstens einen Viertelkreis, besonders vorteilhaft höchstens einen Achtelkreis und besonders bevorzugt wenigstens einen Fünfzehntelkreis ausbildet, kann vorteilhaft eine besonders leichtbauende induktive Positionsbestimmungsvorrichtung ermöglicht werden. Insbesondere ist denkbar, dass das Geberelement aus mehreren, vorzugsweise verteilt in oder auf dem Antriebsbauteil angeordneten Teilen, insbesondere Kreisringsegmenten ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Teile, insbesondere Kreisringsegmente, des Geberelements in diesem Fall mit zueinander gleichmäßigen Abständen in oder auf dem Antriebsbauteil angeordnet, beispielsweise ringförmig um eine Rotationsachse eines als Stirnrad ausgebildeten Antriebsbauteils.
Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass eine Haupterstreckungsebene des Geberelements zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Stirnfläche des als Zahnrad, insbesondere als Stirnrad, ausgebildeten Antriebsbauteils verläuft. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Detektion / Überwachung einer Rotationsposition des Zahnrads ermöglicht werden. Vorzugsweise ist das Geberelement auf die Stirnfläche des Zahnrads angeordnet. Bevorzugt ist das Geberelement mit der Stirnfläche des Zahnrads fest verbunden. Der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung definieren, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung, insbesondere in einer Projektionsebene betrachtet, einen Winkel von 90° einschließen und der Winkel eine maximale Abweichung von insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist.
Zudem wird zusätzlich vorgeschlagen, dass das Antriebsbauteil, insbesondere das Zahnrad, rotatorisch gelagert ist und die Haupterstreckungsebene des Geberelements zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse des rotatorisch gelagerten Antriebsbauteils verläuft. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Detektion / Überwachung einer Rotationsposition des Zahnrads ermöglicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung das, insbesondere induktive, Sensormodul aufweist, welches wiederum zumindest eine Sendespule zu einem Erzeugen eines Anregungssignals aufweist. Dadurch kann vorteilhaft eine zuverlässige Positionsbestimmung mit einer geringen Störanfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung erreicht werden. Insbesondere ist die Sendespule dazu vorgesehen, ein magnetisches Feld, insbesondere ein magnetisches Wechselfeld, zu erzeugen, wobei das magnetische Feld, insbesondere das magnetische Wechselfeld, vorzugsweise dazu vorgesehen ist, in dem Geberelement ein Wirbelstromfeld zu erzeugen. Insbesondere weist die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinheit auf. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit, insbesondere einem Prozessor, und mit einer Speichereinheit, insbesondere einem Speicherchip, sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Insbesondere ist die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen, ein Anregungssignal an die Sendespule auszugeben. Vorzugsweise ist das Anregungssignal als ein Sinussignal ausgebildet. Alternativ könnte das Anregungssignal jedoch auch als ein Kosinussignal, als ein Rechtecksignal oder als ein Signal mit einer weiteren Signalform ausgebildet sein.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das, insbesondere induktive, Sensormodul zumindest zwei, insbesondere zueinander versetzt angeordnete, Empfangsspulen zu einem Empfangen eines von dem Geberelement in Reaktion auf das Anregungssignal induktiv erzeugten Antwortsignals aufweist. Dadurch kann vorteilhaft eine zuverlässige Positionsbestimmung mit einer geringen Störanfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung erreicht werden. Vorteilhaft kann durch die Verwendung von zwei Empfangsspulen eine absolute Positionsbestimmung ermöglicht werden. Insbesondere leiten die Empfangsspulen zu einer Auswertung das Antwortsignal weiter an die Steuer- und/oder Regeleinheit. Insbesondere ist das Antwortsignal durch eine Gegeninduktion in Reaktion auf das Anregungssignal in dem Geberelement erzeugt. Die Steuer- und/oder Regeleinheit ist dazu vorgesehen, das von den Empfangsspulen registrierte Antwortsignal auszuwerten. Die Steuer- und/oder Regeleinheit ist dazu vorgesehen, aus dem von den Empfangsspulen registrierten Antwortsignal eine Position, insbesondere eine Rotationsposition, des Antriebsbauteils zu ermitteln.
Des Weiteren wird ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, Plug-in-Hybridfahrzeug, Brennstoffzellenfahrzeug und/oder rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung vorgeschlagen. Dadurch können vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich eines Fahrzeuggewichts und/oder hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit von Komponenten des Fahrzeugs erreicht werden. Insbesondere umfasst das zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeug das Antriebssystem. Insbesondere ist die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung zu einer Durchführung eines On-Board-Diagnose (OBD)-Verfahrens, insbesondere des Antriebssystems, vorgesehen.
Außerdem wird ein induktives Positions- und/oder Bewegungsbestimmungsverfahren mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung vorgeschlagen. Dadurch kann vorteilhaft eine Positionsbestimmung mit einer geringen Störanfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung erreicht werden, welche zudem vorteilhaft eine besonders leichtbauende Ausgestaltung der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung erlaubt.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Geberelements für die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei ein metallisches, zumindest im Wesentlichen unmagnetisches und zumindest im Wesentlichen elektrisch leitfähiges Material zur Ausbildung des, insbesondere dünnen, vorzugsweise plattenförmigen, Geberelements in/auf ein aus zumindest im Wesentlichen elektrisch nichtleitenden Materialien ausgebildetes Antriebsbauteil eingebracht/aufgebracht wird. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Eignung für elektrisch angetriebene Fahrzeuge erreicht werden, insbesondere indem ein ohne statische Magnetfelder auskommendes Wirkprinzip mit einer Leichtbauweise vorteilhaft kombiniert wird. Vorteilhaft kann eine geringe Störanfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung erreicht werden.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass das Geberelement galvanisch auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil aufgebracht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Herstellung eines dünnen, insbesondere eine Beschichtung ausbildenden, Geberelements, das zudem fest mit dem Antriebsbauteil verbunden ist, ermöglicht werden. Insbesondere ist zumindest einer der Kunststoffe in diesem Fall als ein galvanisierbarer Kunststoff, wie beispielsweise ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS)-Kunststoff, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer-Polycarbonat (ABS-PC)-Kunststoff, ein Polyetherimid (PEI)-Kunststoff oder bevorzugt ein Polyamid mit Glasfaser-Verstärkung (z.B. PA6.6 GF), ausgebildet. Insbesondere wird das Geberelement in diesem Fall galvanisch direkt auf einer Oberfläche, insbesondere auf einer Teiloberfläche, des Antriebsbauteils, insbesondere des Zahnrads, abgeschieden. Durch die galvanische Beschichtung kann ein Geberelement in Form eines einzelnen Kreisringsegments oder in Form mehrerer voneinander beabstandet ausgebildeter Kreisringsegmente auf einer Stirnfläche des Zahnrads erzeugt werden. Vorzugsweise ist das Antriebsbauteil zu einer Ermöglichung einer teilweisen Galvanisierung der Oberfläche aus zumindest zwei verschiedenen Kunststoffmaterialien ausgebildet, insbesondere aus einem elektrisch leitenden Kunststoff, wie z.B. einem Polcarbonat (PC) oder Makralon, in dem Bereich des Antriebsbauteils, welches galvanisiert ist/wird und aus einem (elektrisch nichtleitenden) technischen Kunststoff, wie z.B. einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) oder einem Polyamid (PA) für einen Rest des Antriebsbauteils. Ein derartiges, aus zwei verschiedenen Kunststoffen ausgebildetes Antriebsbauteil, insbesondere Zahnrad, ist u.a. vorteilhaft mittels eines Zweikomponenten-Spritzgussverfahrens herstellbar. Als für die Galvanisierung des Antriebsbauteils besonders vorteilhaft geeignete Kombinationen von Kunststoffen haben sich die Kombinationen ABS mit PC und PA mit Makralon herausgestellt.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das Geberelement mittels Plasmadust-Technik (auch Nanopowder Plasma Deposition-Technologie genannt) auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen, wie beispielsweise PA GF, PEEK, PPS oder POM, ausgebildete, Antriebsbauteil aufgebracht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine schnelle und/oder energiesparende und damit kostengünstige Herstellung eines dünnen, insbesondere eine Beschichtung ausbildenden, Geberelements, das zudem fest mit dem Antriebsbauteil verbunden ist, ermöglicht werden. Vorteilhaft kann eine das Material des Antriebsbauteils schonende Beschichtung ermöglicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine Beschichtung des Antriebsbauteils mit einem Geberelement aus Aluminium ermöglicht werden. Die Plasmadust-Technik basiert insbesondere auf einer Kombination aus kalt-aktivem Plasma und Nano- oder Mikropulvern. Durch die Anwendung der Plasmadust-Technik können Schichten aus Metallen auf zwei- und dreidimensionalen Substraten Kunststoff erzeugt werden, vorteilhaft ohne Einsatz von Chemikalien für Ätz- und Beizprozesse und vorteilhaft ohne das Substrat sehr hohen Temperaturen aussetzen zu müssen. Insbesondere werden bei der Metallisierung des Antriebsbauteils durch die Plasmadust-Technik kontinuierlich Metallpartikel, z.B. Kupfer- oder Aluminiumpartikel, einem Plasmastrahl zugeführt, welcher die Metallpartikel aufschmilzt, so dass sie auf der Oberfläche des Antriebsbauteils haften bleiben. Vorteilhaft erfolgt die Plasmaerzeugung dabei unter Atmosphärendruck. Vorteilhaft erfolgen dabei eine Aktivierung und eine Metallisierung des Antriebsbauteils in einem Arbeitsgang. Insbesondere wird in der Plasmadust-Technik das Plasma durch eine gepulste Bogenentladung erzeugt, wodurch vorteilhaft ein nicht-thermisches Plasma entsteht, dessen messbare Temperatur durch das Ungleichgewicht des Energieinhaltes von leichten Elektronen und schweren Gasteilchen unter Atmosphärenbedingungen bei nur rund 120 °C liegt, was insbesondere ausreichend ist, um Mikro-/Nanopulver aus Kupfer oder Aluminium mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm bis 20 µm aufzuschmelzen.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das Geberelement mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen, wie beispielsweise PA GF, PEEK, PPS, ABS, PEI, PC oder POM ausgebildete, Antriebsbauteil aufgebracht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine kostengünstige Metallisierung des Antriebsbauteils, insbesondere mit einer hohen Präzision der Ausgestaltung des Geberelements, erreicht werden. Bei der LDS-Technik wird dem/den Kunststoff/en des Antriebsbauteils bei der Herstellung (z.B. durch ein Spritzgussverfahren) insbesondere ein (metallorganisches) LDS-Additiv hinzugefügt, welches vorzugsweise durch einen Laserstrahl aktivierbar ist. Insbesondere findet bei diesem Vorgang auf der Kunststoffoberfläche eine chemische Reaktion statt, bei der sich Keime bilden, die bei der Metallbeschichtung, insbesondere Kupferbeschichtung, des Antriebsbauteils als Katalysatoren agieren, so dass sich das Metall, insbesondere das Kupfer, in einem weiteren Schritt, in dem das Antriebsbauteil in ein stromloses Metallbad, insbesondere Kupferbad, eingetaucht wird, fest mit dem aktivierten Teil der Oberfläche des Antriebsbauteils verbindet.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das Geberelement als Einlegeteil in einem Spritzgussverfahren in das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil eingebracht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine kostengünstige Montage des Geberelements in dem Antriebsbauteil ermöglicht werden. Vorteilhaft ist das Geberelement in diesem Fall besonders gut gegen Beschädigungen von außen (z.B. durch Zerkratzen) geschützt. Insbesondere wird das Geberelement in dem, insbesondere als ZweiKomponenten-Spritzgussverfahren ausgebildeten, Spritzgussverfahren durch den/die Kunststoff/e zumindest bereichsweise / zumindest abschnittsweise umspritzt.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass das Geberelement als Auflageteil mittels einer formschlüssigen Verbindung auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil aufgebracht wird.
Dadurch kann vorteilhaft eine besonders einfache Montage des Geberelements ermöglicht werden.
Insbesondere ist denkbar, dass ein Fachmann zwei oder mehr als zwei der vorgenannten Herstellungsverfahren zur Auf- oder Einbringung von Geberelementen in sinnhafter Weise kombiniert.
Die erfindungsgemäße induktive Positionsbestimmungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Fahrzeug und die erfindungsgemäßen Verfahren soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße induktive Positionsbestimmungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Fahrzeug und die erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen, Verfahrensschritten und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Antriebssystem,
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des Antriebssystems mit einer induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung,
3a einen schematischen Schnitt durch die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit einem Antriebsbauteil und mit einem Geberelement,
3b einen schematischen Schnitt durch die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Antriebsbauteil und mit einer alternativen Anordnung des Geberelements,
3c einen schematischen Schnitt durch die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Antriebsbauteil und mit einer zweiten alternativen Anordnung des Geberelements,
3d eine schematische Draufsicht auf die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Antriebsbauteil und auf eine dritte alternative Anordnung des Geberelements,
3e eine schematische Schnittansicht eines Teils des Antriebsbauteils mit der dritten alternativen Anordnung des Geberelements,
3f einen schematischen Schnitt durch die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Antriebsbauteil und mit einer weiteren alternativen Anordnung des Geberelements,
4a eine schematische Seitenansicht der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Geberelement, einem Sensormodul und dem Antriebsbauteil,
4b eine schematische Seitenansicht der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung mit dem Geberelement, dem Sensormodul und einem alternativ positionierten Antriebsbauteil,
5 eine Schemadarstellung des Sensormoduls,
6a eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebsbauteils mit dem Geberelement,
6b eine schematische perspektivische Darstellung des Antriebsbauteils mit einem alternativ ausgebildeten Geberelement,
7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Positions- und/oder Bewegungsbestimmungsverfahrens mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des Geberelements für die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 36. Das Fahrzeug 36 ist zumindest teilweise elektrisch angetrieben, beispielsweise ein Hybridfahrzeug, ein Plug-in-Hybridfahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug und/oder ein rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug. Das Fahrzeug 36 weist ein Antriebssystem 42 auf. Das Antriebssystem 42 ist zu einem Antrieb zumindest einer Funktion in dem Fahrzeug 36 vorgesehen. Diese Funktion kann mit einer Erzeugung eines Vortriebs des Fahrzeugs 36 in Verbindung stehen oder unzusammenhängend mit der Erzeugung des Vortriebs sein. Das beispielhaft im Zusammenhang mit den Figuren beschriebene Antriebssystem 42 ist zu einer Verstellung eines zu verstellenden Elements (nicht dargestellt), z.B. eines Drehschiebers, einer Klappe etc., vorgesehen. Das Antriebssystem 42 weist eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 auf (vgl. u.a. 2).
Die 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht zumindest eines Teils des Antriebssystems 42 mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung 38. Die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 ist als eine induktive Winkelpositionsbestimmungsvorrichtung ausgebildet. Das Antriebssystem 42 und/oder die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 weist ein Antriebsbauteil 10 auf. Das Antriebssystem 42 weist ein Gehäuse 44 auf. Das Gehäuse 44 ist in der Darstellung von 2 geöffnet dargestellt. Ein Deckel des Antriebssystems 42, der i.d.R. das Gehäuse 44 verschließt, vorzugsweise mit dem Gehäuse 44 ultraschallverschweißt ist, ist in den Figuren nicht dargestellt. Das Antriebsbauteil 10 ist beweglich gelagert, insbesondere zumindest relativ zu einem Gehäuse 44 des Antriebssystems 42. Die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 ist zu einer Bestimmung einer Position, insbesondere Winkelposition, und/oder einer Bewegung des Antriebsbauteils 10 vorgesehen. Das Antriebsbauteil 10 ist als ein Getriebebauteil, insbesondere als ein Bauteil eines Schneckengetriebes 46 des Antriebssystems 42, ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist als ein Zahnrad ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist als ein Stirnrad ausgebildet. Alternative Ausgestaltungen des Antriebsbauteils 10 sind möglich, ohne dabei von dem Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Antriebsbauteil 10 ist aus einem nichtmetallischen Material oder aus mehreren nichtmetallischen Materialien ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist aus einem elektrisch nichtleitenden Material oder aus mehreren elektrisch nichtleitenden Materialien ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist aus einem Kunststoff oder aus einer Kombination mehrerer Kunststoffsorten ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildet, wobei zumindest einer der Kunststoffe des Antriebsbauteils 10 als ein galvanisierbarer Kunststoff, ein mittels Plasmadust-Technik beschichtbarer Kunststoff und/oder ein mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) beschichtbarer Kunststoff, wie beispielsweise PA GF, ist.
Das Antriebssystem 42 weist einen Motor 50 auf. Der Motor 50 ist als ein Elektromotor (z.B. BLDC oder DC) ausgebildet. Der Motor 50 ist dazu vorgesehen, eine Abtriebswelle 52 des Antriebssystems 42 rotatorisch anzutreiben. Die Abtriebswelle 52 ist mit einem Schneckenrad 54 des Schneckengetriebes 46 versehen. Das Schneckenrad 54 ist mit dem als Stirnrad ausgebildeten Antriebsbauteil 10 verzahnt. Eine Rotation des Schneckenrads 54 um eine Rotationsachse 56 der Abtriebswelle 52 erzeugt eine Rotationsbewegung des als Stirnrad ausgebildeten Antriebsbauteils 10 um eine weitere, zu der Rotationsachse 56 der Abtriebswelle 52 senkrechte Rotationsachse 28, um die das Antriebsbauteil 10 rotatorisch gelagert ist. Das Antriebssystem 42 weist eine Platine 58 auf. Die Platine 58, insbesondere eine Haupterstreckungsebene der Platine 58, ist senkrecht zu der Rotationsachse 28 des Antriebsbauteils 10 angeordnet. Die Platine 58, insbesondere die Haupterstreckungsebene der Platine 58, ist parallel zu der Rotationsachse 56 der Abtriebswelle 52 angeordnet. Der Motor 50 weist eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) auf. Die Platine 58 ist dazu vorgesehen, die Leistungselektronik des Motors 50 aufzunehmen. Das Antriebssystem 42 weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit 60 auf. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 60 ist dazu vorgesehen, den Motor 50 zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 60 ist dazu vorgesehen, die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 zu steuern, zu regeln und/oder auszulesen. Die Platine 58 ist dazu vorgesehen, die Steuer- und/oder Regeleinheit 60 aufzunehmen. Das Antriebsbauteil 10, insbesondere eine Verzahnung 62 des Antriebsbauteils 10, ist in der 2 beispielhaft oberhalb der Platine 58 angeordnet (vgl. auch 4a). Alternativ kann das Antriebsbauteil 10, insbesondere die Verzahnung 62 des Antriebsbauteils 10, auch unterhalb der Platine 58 angeordnet sein (vgl. 4b).
Die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 weist ein Geberelement 12 auf. Das Geberelement 12 ist in das Antriebsbauteil 10 integriert (vgl. 3f) oder auf einer Oberfläche 48 des Antriebsbauteils 10 formschlüssig oder stoffschlüssig befestigt (vgl. 3b, 3c oder 3e). Das Geberelement 12 ist mit dem Antriebsbauteil 10 mitbewegt. Das Antriebsbauteil 10 ist dazu vorgesehen, eine Antriebsbewegung, z.B. zum Antrieb des Drehschiebers oder der Klappe, zu erzeugen. Das Geberelement 12 ist mit dem Antriebsbauteil 10 mitbewegt. Das Geberelement 12 ist mit der rotatorischen Antriebsbewegung des Antriebsbauteils 10 mitbewegt. Das Antriebssystem 42 weist ein Sensormodul 14 auf (siehe u.a. 5). Das Geberelement 12 ist dazu vorgesehen, zur Positionsbestimmung mit dem Sensormodul 14 (induktiv bzw. durch Gegeninduktion) wechselzuwirken. Das Geberelement 12 ist aus einem metallischen Material oder aus mehreren metallischen Materialien ausgebildet. Das Geberelement 12 ist aus einem unmagnetischen Material oder aus mehreren unmagnetischen Materialien ausgebildet. Das Geberelement 12 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus mehreren elektrisch leitfähigen Materialien ausgebildet. Das Geberelement 12 ist aus Kupfer ausgebildet. Alternativ ist das Geberelement 12 aus Aluminium ausgebildet.
Das Material des Geberelements 12, oder falls das Geberelement 12 aus mehreren Materialien zusammengesetzt ist die Materialien des Geberelements 12 zusammengenommen, weisen eine Dichte auf, welche wesentlich größer ist als eine Dichte des Antriebsbauteils 10, wobei insbesondere bei einer Zusammensetzung des Antriebsbauteils 10 aus mehreren Materialien eine mittlere Dichte herangezogen wird. Die Dichte des Geberelements 12 (unabhängig davon, ob es aus einem oder mehreren Materialien zusammengesetzt ist) ist mindestens doppelt so groß wie die, insbesondere mittlere, Dichte des Antriebsbauteils 10. Zugleich ist eine Gesamtmasse des Geberelements 12 wesentlich geringer als eine Gesamtmasse des Antriebsbauteils 10. Die Gesamtmasse des Antriebsbauteils 10 ist mindestens um ein Dreifaches höher als die Gesamtmasse des Geberelements 12.
Das Geberelement 12 ist als ein Kreisringsegment 24 ausgebildet (siehe auch 6a). Alternativ oder zusätzlich kann das Geberelement 12 auch in eine Mehrzahl an zueinander beabstandet angeordnete Kreisringsegmente 24, 24', 24" aufgeteilt sein, wie es in 6b dargestellt ist. Eine Größe eines von der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung 38 detektierbaren Winkelbereichs und/oder eine Präzision der Winkelbestimmung durch die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38 ist abhängig von der Ausgestaltung des Geberelements 12.
Die 3a zeigt einen schematischen Schnitt durch das Antriebsbauteil 10 mit dem Geberelement 12. Das Geberelement 12 ist als eine Beschichtung 64 des Antriebsbauteils 10 ausgebildet. Das Geberelement 12 ist als eine galvanische Beschichtung 64 des Antriebsbauteils 10 ausgebildet. Das Antriebsbauteil 10 ist aus zwei unterschiedlichen Kunststoffen ausgebildet. In einem ersten Teilbereich 22 des Antriebsbauteils 10 ist das Antriebsbauteil 10 aus einem galvanisierbaren, elektrisch leitfähigen Kunststoff, wie beispielsweise Makralon oder PC, ausgebildet. Die Beschichtung 64 ist auf dem ersten Teilbereich 22 des Antriebsbauteils 10 aufgebracht. Die Beschichtung 64 bedeckt den Teil der Oberfläche des Antriebsbauteils 10, der aus dem elektrisch leitfähigen Kunststoff, wie beispielsweise Makralon oder PC, ausgebildet ist. In einem von dem ersten Teilbereich 22 verschiedenen zweiten Teilbereich 116 ist das Antriebsbauteil 10 aus einem nicht galvanisierbaren und/oder elektrisch nichtleitenden Kunststoff, wie beispielsweise ABS oder PA, ausgebildet. Die Oberflächen des zweiten Teilbereichs 116 des Antriebsbauteils 10 sind frei von einer metallischen / galvanischen Beschichtung 64. Die 3b bis 3e zeigen schematische Schnitte durch das Antriebsbauteil 10 mit alternativ ausgebildeten Geberelementen 12. Die Geberelemente 12 sind formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem jeweiligen Antriebsbauteil 10 verbunden. Die Geberelemente 12 sind als formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Antriebsbauteil 10 verbundene Auflageteile 40 ausgebildet. In der 3d ist schematisch eine Draufsicht auf das Antriebsbauteil 10 mit dem Geberelement 12 gezeigt, wobei das Geberelement 12 über Verbindungslaschen 118, 120 des Geberelements 12 formschlüssig mit dem Antriebsbauteil 10 verbunden ist. Das Antriebsbauteil 10 weist in diesem Fall (durchgehende) Ausnehmungen 122, 124 auf, in welche die Verbindungslaschen 118, 120 eingreifen. Die Verbindungslaschen 118, 120 sind aus einem plastisch verformbaren Material ausgebildet, beispielsweise aus demselben Material wie das Geberelement 12. Es ist denkbar, dass die Verbindungslaschen 118, 120 einstückig mit dem Geberelement 12 ausgebildet sind. In der 3e ist eine schematische Schnittansicht durch das Antriebsbauteil 10 im Bereich einer der Ausnehmungen 122, 124 gezeigt. Die Verbindungslaschen 118, 120 sind in die Ausnehmungen 122, 124 hineingebogen. Die Verbindungslaschen 118, 120 sind auf einer dem Geberelement 12 gegenüberliegenden Seite des Antriebsbauteils 10 aus der Ausnehmung 122, 124 herausgebogen. Die Verbindungslaschen 118, 120 umgreifen die Ausnehmungen 122, 124 einseitig. Durch die in den 3d und 3e gezeigte formschlüssige Verbindungsmethode kann vorteilhaft eine besonders nahe Positionierung des Geberelements 12 an der Platine 58 ermöglicht werden. Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen einer Oberfläche des Geberelements 12 und einer dem Geberelement 12 gegenüberliegenden Oberfläche der Platine 58 weniger als ein Fünffaches, bevorzugt weniger als ein Dreifaches und besonders bevorzugt weniger als Zweifaches einer Dicke 16 des Geberelements 12 in eine Richtung senkrecht zu einer Hauptbewegungsebene des Antriebsbauteils 10.
Die 3f zeigt einen schematischen Schnitt durch das Antriebsbauteil 10 mit einem weiteren alternativ ausgebildeten Geberelement 12. Das Geberelement 12 ist als ein in das Antriebsbauteil 10 eingebrachtes Einlegeteil 20 ausgebildet. Das Geberelement 12 ist in diesem Fall teilweise von dem Antriebsbauteil 10 umgeben. Das Geberelement 12 ist in diesem Fall teilweise in das Antriebsbauteil 10 eingespritzt. Das Geberelement 12 befindet sich in diesem Fall zu einem Teil, vorzugsweise zu einem Großteil, auf einer Oberfläche des Antriebsbauteils 10. Dadurch kann vorteilhaft ein möglichst minimaler Abstand zwischen dem Geberelement 10 und der Platine 58 erreicht werden, wodurch insbesondere eine hohe Signalgüte gewährleistet werden kann.
Das/Die Geberelement/e 12 weist/weisen jeweils eine Haupterstreckungsebene auf, welche parallel zu einer Stirnfläche 26 des als Zahnrad ausgebildeten Antriebsbauteils 10 verläuft/verlaufen. Die Haupterstreckungsebene/n des/der Geberelement/e 12 verläuft/verlaufen senkrecht zu der Rotationsachse 28 des jeweiligen rotatorisch gelagerten Antriebsbauteils 10. Das/Die Geberelement/e 12 weist/weisen in eine Richtung senkrecht zu einer Hauptbewegungsebene des Antriebsbauteils 10 die Dicke 16 auf, welche wesentlich geringer ist als eine Dicke 18 des Antriebsbauteils 10 in derselben Richtung. Das/Die Geberelement/e 12 weisen eine Dicke 16 von weniger als 500 µm auf. Das als Beschichtung 64 ausgebildete Geberelement 12 weist eine Dicke 16 von etwa 50 µm auf.
Die 4a und 4b zeigen schematisch die Anordnung des Antriebsbauteils 10 mit dem Geberelement 12 relativ zu der Platine 58 mit dem Sensormodul 14 aus einer seitlichen Ansicht, wobei die Platine 58 geschnitten dargestellt ist. Das Sensormodul 14 weist eine Sendespule 30 auf. Die Sendespule 30 ist zu einem Erzeugen eines Anregungssignals vorgesehen. Die Sendespule 30 ist in die Platine 58 integriert oder auf der Platine 58 angeordnet. Das Sensormodul 14 weist zwei Empfangsspulen 32, 34 auf. Die Empfangsspulen 32, 34 sind jeweils zu einem Empfangen eines von dem Geberelement 12 in Reaktion auf das Anregungssignal induktiv erzeugten Antwortsignals vorgesehen. Das Anregungssignal wird von dem Geberelement 12 zumindest teilweise absorbiert und erzeugt Wirbelströme in dem Geberelement 12, welche wiederum durch eine Gegeninduktion ein Antwortsignal erzeugen, welches von den Empfangsspulen 32, 34 registriert und von der Steuer- und/oder Regeleinheit 60 zur Ermittlung einer Position ausgewertet wird. Die Empfangsspulen 32, 34 sind zueinander versetzt angeordnet (siehe auch 5). Die Empfangsspulen 32, 34 überlappen sich in Richtung der Rotationsachse 28 des Antriebsbauteils 10 gesehen nur an einzelnen Kreuzungspunkten. Die Empfangsspulen 32, 34 sind jeweils in die Platine 58 integriert oder auf der Platine 58 angeordnet. Die Sendespule 30 ist räumlich getrennt von den Empfangsspulen 32, 34 angeordnet. Die Empfangsspulen 32, 34 und die Sendespule 30 liegen in einer gemeinsamen Ebene, welche vorzugsweise parallel zu der Stirnfläche 26 des als Zahnrad ausgebildeten Antriebsbauteils 10 und/oder senkrecht zu der Rotationsachse 28 des Antriebsbauteils 10 verläuft.
Die 5 zeigt eine weitere Schemadarstellung des Sensormoduls 14. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 60 gibt das als Sinussignal ausgebildete Anregungssignal an die Sendespule 30 aus. Die Empfangsspulen 32, 34 registrieren jeweils unterschiedliche positionswinkelabhängige Antwortsignale, die durch Gegeninduktion im Geberelement 12 erzeugt wurden. Die Empfangsspulen 32, 34 wandeln das Antwortsignal in ein elektrisches Signal um und übermitteln dieses zurück an die Steuer- und/oder Regeleinheit 60. Aus der Zusammenschau der Antwortsignale beider Empfangsspulen 32, 34 ermittelt die Steuer- und/oder Regeleinheit 60 den aktuellen Positionswinkel des Geberelements 12 und damit auch des Antriebsbauteils 10. Der ermittelte Wert kann dann z.B. von einer Bordsteuerung des Fahrzeugs 36 aus der Steuer- und/oder Regeleinheit 60 ausgelesen werden.
Die 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Positions- und/oder Bewegungsbestimmungsverfahrens mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung 38. In zumindest einem Verfahrensschritt 66 wird ein Anregungssignal von der Sendespule 30 ausgesendet. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 68 wird das Anregungssignal von dem mit dem Antriebsbauteil 10 mitbewegten Geberelement 12 absorbiert und es werden Wirbelströme in dem Geberelement 12 erzeugt, wodurch ein Antwortsignal in Form eines Gegeninduktionssignals von dem Geberelement 12 ausgesandt wird. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 70 wird das Antwortsignal von den Empfangsspulen 32, 34 registriert. Durch die zueinander versetzte Anordnung der Empfangsspulen 32, 34 sieht das Antwortsignal jeder Empfangsspule 32, 34 unterschiedlich aus. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 72 werden die unterschiedlichen Antwortsignale der beiden Empfangsspulen 32, 34 von der Steuer- und/oder Regeleinheit 60 empfangen und zur Bestimmung der aktuellen Position des Geberelements 12 und damit auch des Antriebsbauteils 10 ausgewertet.
Die 8 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des Geberelements 12 für die induktive Positionsbestimmungsvorrichtung 38. In dem Herstellungsverfahren wird in zumindest einem Verfahrensschritt 74 ein metallisches, unmagnetisches und elektrisch leitfähiges Material zur Ausbildung des dünnen plattenförmigen Geberelements 12 in/auf das aus dem/den nichtleitenden Material/ien ausgebildete Antriebsbauteil 10 eingebracht/aufgebracht. Der Verfahrensschritt 74 kann mehrere verschiedene Methoden der Gerberelementerzeugung umfassen.
In einer ersten Methode wird in einem Teilverfahrensschritt 76 des Verfahrensschritts 74 das Geberelement 12 galvanisch auf das zumindest teilweise aus einem oder mehreren galvanisierbaren Kunststoffen ausgebildete Antriebsbauteil 10 aufgebracht. Dabei wird das Antriebsbauteil 10 in eine galvanische Lösung eingetaucht und eine Spannung angelegt, so dass sich das Geberelement 12 durch Abscheiden eines Metalls auf dem Antriebsbauteil 10 ausbildet.
In einer zweiten Methode wird in einem Teilverfahrensschritt 78 des Verfahrensschritts 74 das Geberelement 12 mittels Plasmadust-Technik auf das aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete Antriebsbauteil 10 aufgebracht. Dabei wird in einem Verfahrensschritt 86 ein nicht thermischer Plasmastrahl erzeugt und auf das Antriebsbauteil 10 ausgerichtet. In einem weiteren Verfahrensschritt 88 wird ein Metall-Nano- oder Metall-Mikropulver in den Plasmastrahl eingebracht, z.B. eingeblasen. In einem weiteren Verfahrensschritt 90 schmilzt der Plasmastrahl die Partikel des eingebrachten Metall-Nano- oder Metall-Mikropulvers auf. In einem weiteren Verfahrensschritt 92 verbindet sich das durch das Schmelzen des Metall-Nano- oder Metall-Mikropulvers erzeugte Material mit dem Antriebsbauteil 10 und bildet das Geberelement 12 aus.
In einer dritten Methode wird in einem Teilverfahrensschritt 80 des Verfahrensschritts 74 das Geberelement 12 mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) auf das aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete Antriebsbauteil 10 aufgebracht. Dabei wird in einem Verfahrensschritt 94 das Antriebsbauteil 10 aus einem mit einem LDS-Additiv versetzten Kunststoff, z.B. per Spritzguss, gefertigt. In einem weiteren Verfahrensschritt 96 wird ein Bereich des Antriebsbauteils 10, auf welchem das Geberelement 12 entstehen soll, mit einem Laser beschossen und dadurch aktiviert. In einem weiteren Verfahrensschritt 98 wird das laseraktivierte Antriebsbauteil 10 in ein stromloses Kupferbad eingetaucht. In dem Verfahrensschritt 98 bildet sich das Geberelement 12 aus dem Kupferbad, indem es sich in dem aktivierten Bereich an das Antriebsbauteil 10 bindet und eine Kupferbeschichtung ausbildet.
In einer vierten Methode wird in einem Teilverfahrensschritt 82 des Verfahrensschritts 74 das Geberelement 12 als Einlegeteil 20 in einem Spritzgussverfahren in das aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete Antriebsbauteil 10 eingebracht. Dabei wird in einem Verfahrensschritt 100 das Geberelement 12 vorgefertigt. In einem weiteren Verfahrensschritt 102 wird das vorgefertigte Geberelement 12 in einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren unter Ausbildung des Antriebsbauteils 10 teilweise umspritzt.
In einer fünften Methode wird in einem Teilverfahrensschritt 84 des Verfahrensschritts 74 das Geberelement 12 als Auflageteil 40 mittels einer formschlüssigen Verbindung auf das aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete Antriebsbauteil 10 aufgebracht. Dabei wird in einem Verfahrensschritt 104 das Geberelement 12 vorgefertigt. In einem weiteren Verfahrensschritt 106 wird das Antriebsbauteil 10 vorgefertigt. In einem weiteren Verfahrensschritt 108 wird das Geberelement 12 auf das Antriebsbauteil 10 aufgeklebt. In einem weiteren alternativen Verfahrensschritt 110 wird das Geberelement 12 auf das Antriebsbauteil 10 formschlüssig zusammengesteckt und/oder die Verbindungslaschen 118, 120 des Geberelements in die Ausnehmungen 122, 124 hineingebogen. In einem weiteren alternativen Verfahrensschritt 112 wird das Geberelement 12 zur formschlüssigen Verbindung mit dem Antriebsbauteil 10 heißverstemmt / heißvernietet (Kunststoffvernieten). In einem weiteren alternativen Verfahrensschritt 114 wird das Geberelement 12 zur formschlüssigen Verbindung mit dem Antriebsbauteil 10 ultraschallvernietet (Kunststoffvernieten).
Bezugszeichenliste

10: Antriebsbauteil
12: Geberelement
14: Sensormodul
16: Dicke
18: Dicke
20: Einlegeteil
22: erster Teilbereich
24: Kreisringsegment
26: Stirnfläche
28: Rotationsachse
30: Sendespule
32: Empfangsspule
34: Empfangsspule
36: Fahrzeug
38: induktive Positionsbestimmungsvorrichtung
40: Auflageteil
42: Antriebssystem
44: Gehäuse
46: Schneckengetriebe
48: Oberfläche
50: Motor
52: Abtriebswelle
54: Schneckenrad
56: Rotationsachse
58: Platine
60: Steuer- und/oder Regeleinheit
62: Verzahnung
64: Beschichtung
66 bis 114: Verfahrensschritt
116: Zweiter Teilbereich
118: Verbindungslasche
120: Verbindungslasche
122: Ausnehmung
124: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10756602 B2 [0002]

Claims

Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38), insbesondere induktive Winkelpositionsbestimmungsvorrichtung, zur Bestimmung einer Position und/oder einer Bewegung eines beweglich gelagerten Antriebsbauteils (10), aufweisend: - das Antriebsbauteil (10), welches aus zumindest im Wesentlichen zumindest elektrisch nichtleitenden Materialien ausgebildet ist, und - ein, insbesondere zumindest in das Antriebsbauteil (10) integriertes und/oder auf dem Antriebsbauteil (10) befestigtes, Geberelement (12), welches sich mit einer Bewegung des Antriebsbauteils (10) mitbewegt, und welches aus einem metallischen, zumindest im Wesentlichen unmagnetischen und zumindest im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, wobei das Geberelement (12) dazu vorgesehen ist, zur Positionsbestimmung mit einem Sensormodul (14) wechselzuwirken, und wobei eine Dichte des Materials des Geberelements (12) wesentlich größer ist als eine, insbesondere mittlere, Dichte des Antriebsbauteils (10).
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Geberelements (12) mindestens doppelt so groß ist wie die Dichte des Antriebsbauteils (10).
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtmasse des Geberelements (12) wesentlich geringer ist als eine Gesamtmasse des Antriebsbauteils (10).
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) zumindest in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptbewegungsebene des Antriebsbauteils (10) eine Dicke (16) aufweist, welche wesentlich geringer ist als eine Dicke (18) des Antriebsbauteils (10) in derselben Richtung.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) als ein formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Antriebsbauteil (10) verbundenes Auflageteil (40) und/oder als ein in das Antriebsbauteil (10) eingebrachtes Einlegeteil (20) ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) eine Dicke (16) von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als 250 µm und bevorzugt weniger als 100 µm aufweist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) als eine Beschichtung (64) des Antriebsbauteils (10) ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (10) aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (10) zumindest teilweise aus einem galvanisierbaren Kunststoff, aus einem mittels Plasmadust-Technik beschichtbaren Kunststoff und/oder aus einem mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) beschichtbaren Kunststoff ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (10) als ein Getriebebauteil, insbesondere als ein Zahnrad, ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Geberelements (12) Kupfer und/oder Aluminium ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) als ein Kreisringsegment (24) ausgebildet ist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zumindest nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupterstreckungsebene des Geberelements (12) zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Stirnfläche (26) des als Zahnrad ausgebildeten Antriebsbauteils (10) verläuft und/oder dass das Antriebsbauteil (10) rotatorisch gelagert ist und die Haupterstreckungsebene des Geberelements (12) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse (28) des rotatorisch gelagerten Antriebsbauteils (10) verläuft.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Sensormodul (14), welches zumindest eine Sendespule (30) zu einem Erzeugen eines Anregungssignals aufweist.
Induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (14) zumindest zwei Empfangsspulen (32, 34) zu einem Empfangen eines von dem Geberelement (12) in Reaktion auf das Anregungssignal induktiv erzeugten Antwortsignals aufweist.
Zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (36), insbesondere Hybridfahrzeug, Plug-in-Hybridfahrzeug, Brennstoffzellenfahrzeug und/oder rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Induktives Positions- und/oder Bewegungsbestimmungsverfahren mit der induktiven Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zur Herstellung zumindest eines Geberelements (12) für eine induktive Positionsbestimmungsvorrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein metallisches, zumindest im Wesentlichen unmagnetisches und zumindest im Wesentlichen elektrisch leitfähiges Material zur Ausbildung des, insbesondere dünnen, vorzugsweise plattenförmigen, Geberelements (12) in/auf ein aus zumindest im Wesentlichen nichtleitenden Materialien ausgebildetes Antriebsbauteil (10) eingebracht/aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) galvanisch auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) mittels Plasmadust-Technik auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) mittels Laser-Direkt-Strukturierungs-Technik (LDS) auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) als Einlegeteil (20) in einem Spritzgussverfahren in das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil (10) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (12) als Auflageteil (40) mittels einer formschlüssigen Verbindung auf das, insbesondere aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildete, Antriebsbauteil (10) aufgebracht wird.