DE102021132396A1

DE102021132396A1 - Sensoranordnung; Lenkung; Fahrzeug, Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102021132396A1
Application number: DE102021132396.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lindner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei die Sensoranordnung einen ersten Positionssensor mit einer ersten Spulenanordnung aufweist,dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen zweiten Positionssensor mit einer zweiten Spulenanordnung aufweist, wobei die Sensoranordnung einen dritten Positionssensor mit einer dritten Spulenanordnung aufweist,wobei der zweite Positionssensor und der dritte Positionssensor zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Lenkung, ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung.
Derartige Sensoranordnungen und Positionssensoren sind allgemein bekannt. Sie können beispielsweise zur Messung eines Lenkwinkels einer Hinterachslenkung oder Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs verwendet werden.
Zur Messung des Lenkeinschlags in Hinterachslenkungen können induktive Linearwegsensoren (LPS - linear positioning sensor) eingesetzt werden. Diese basieren auf dem induktiven Prinzip. Typischerweise induzieren Senderspulen ein Messsignal in Empfangsspulen, wobei ein Teil des ausgesendeten Feldes durch die Wirbelströme in einem beweglichem, elektrisch leitfähigen Messobjekt abgeschirmt wird, sodass die resultierende induzierte Spannung eine Information über die Position des Messobjekts gibt. Typische Genauigkeiten liegen dabei beispielsweise bei circa 1 % des Verfahrweges. Sie verringern sich mit Erhöhung der Länge des Sensors, da die Spulen bei der Vergrößerung des Gesamtmessbereichs gestreckt werden müssen.
Die DE102018130228 B3 offenbart einen Aktuator für ein Fahrzeug, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei die Schubstange eine Verdrehsicherung mit einem Führungselement aufweist, das in einer am Gehäuse angeordneten ein- oder mehrteiligen Gleitschiene in axialer Richtung geführt ist, wobei zwischen der Gleitschiene und dem Gehäuse ein Elastomerring angeordnet ist. Der Aktuator ist dazu vorgesehen, durch das axiale Verlagern der Schubstange gegenüber dem Gehäuse eine Einstellung eines Lenkwinkels von mit dem Aktuator wirkverbundenen Fahrzeugrädern an einer Hinterachse des Fahrzeugs auszuführen. Die DE102018130228 B3 beschreibt hierfür eine Sensorvorrichtung, umfassend zumindest ein Sensorelement und ein Messobjekt, wobei das Messobjekt am Führungselement angeordnet und mit dem zumindest einen Sensorelement, welches zumindest mittelbar am Gehäuse befestigt ist, wirksam verbunden ist. Das zumindest eine Sensorelement kann dabei gehäusefest angeordnet sein, wobei das Messobjekt als Sensorgegenstück im Führungselement integriert ist und mit dem zumindest einen Sensorelement zusammenwirkt.
Es existieren Linearpositionssensoren, die den vollen Stroke bzw. Messbereich mit einer begrenzten Genauigkeit abdecken. Für viele Anwendungen ist jedoch eine erhöhte Genauigkeit, beispielsweise 100 µm, nötig.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine vorteilhafte Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs bereitzustellen, die eine verbesserte Messung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs,
wobei die Sensoranordnung einen ersten Positionssensor mit einer ersten Spulenanordnung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen zweiten Positionssensor mit einer zweiten Spulenanordnung aufweist, wobei die Sensoranordnung einen dritten Positionssensor mit einer dritten Spulenanordnung aufweist,
wobei der zweite Positionssensor und der dritte Positionssensor zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet sind.
Die Verwendung eines einzelnen Positionssensors mit Spulen, insbesondere eines Wirbelstromsensors, alleine hätte den Nachteil, dass zwar ein vergleichsweise großer Messbereich abgedeckt werden kann, die Messgenauigkeit dabei jedoch vergleichsweise gering ist, was für unterschiedliche Anwendungen zu unzureichenden Ergebnissen führt. Erfindungsgemäß kann dieser Nachteil überwunden werden. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst hierbei insgesamt drei Positionssensoren bzw. drei Spulenanordnungen. Der zweite und dritte Positionssensor sind mithilfe ihrer zweiten und dritten Spulenanordnung dabei zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet. Es kann somit eine verbesserte Genauigkeit in diesem Teilbereich des Gesamtmessbereichs erzielt werden. Für diverse Anwendungen ist eine derart erhöhte Messgenauigkeit nicht über den kompletten Stroke bzw. des kompletten Messbereichs des Positionssensors nötig, sondern lediglich über einen Teilbereich. Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann somit eine kosteneffiziente Sensoranordnung erreicht werden, die auch hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügt. Der zweite Positionssensor und der dritte Positionssensor sind vorzugsweise zur Messung in der Mitte des Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet, wobei die „Mitte“ sich insbesondere auf den Bereich bezieht, in dem Lenkung keinen Lenkeinschlag aufweist.
Vorzugsweise sind der zweite und dritte Positionssensor dabei zur Messung in dem gleichen Teilbereich des gesamten Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet.
Die Sensoranordnung ist vorzugsweise als Wirbelstromsensor ausgebildet. Die Sensoranordnung ist zur Detektion einer Position eines Messobjekts, insbesondere eines Targets, eingerichtet. Vorzugsweise sind sowohl der erste Positionssensor als auch der zweite und dritte Positionssensor zur Positionsmessung mithilfe des Messobjekts der Sensoranordnung ausgebildet. Das Messobjekt ist vorzugsweise elektrisch leitfähig ausgebildet. Beispielsweise ist das Messobjekt aus Metall, insbesondere Aluminium, gefertigt. Das Messobjekt ist relativ zum ersten Positionssensor, insbesondere relativ zur ersten Spulenanordnung, und relativ zum zweiten Positionssensor, insbesondere relativ zur zweiten Spulenanordnung, und relativ zum dritten Positionssensor, insbesondere relativ zur dritten Spulenanordnung, beweglich angeordnet. Die Position des Messobjekts kann mithilfe des ersten, zweiten und dritten Positionssensors ermittelt werden. Somit kann insbesondere ein Lenkwinkel einer Lenkung mithilfe der Sensoranordnung ermittelt werden. Vorzugsweise sind der erste, zweite und dritte Positionssensor als Linearsensoren ausgebildet.
In besonders vorteilhafter Weise ist es möglich, mithilfe des zweiten und dritten Positionssensors die Auswertung im Teilbereich redundant auszulegen. Somit kann sowohl eine hohe Messgenauigkeit als auch eine hohe Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit mithilfe des zweiten und dritten Positionssensors erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die mithilfe der Sensoranordnung erfassten Messsignale zur weiteren Auswertung einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise denkbar, dass es sich bei dem Teilbereich des Messbereichs um einen zentralen Teilbereich des Gesamtmessbereichs des ersten Positionssensors handelt. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise für eine Hinterachslenkung, eine Electric-power-steering-Lenkung oder eine Steer-by-wire-Lenkung, ist eine erhöhte Messgenauigkeit in einem derartigen zentralen Teilbereich wünschenswert. Es ist alternativ beispielsweise denkbar, dass der Teilbereich ein Randbereich des Messbereichs des ersten Positionssensors ist. Die Lage des Teilbereichs innerhalb des Messbereichs ist vorzugsweise an die Anwendung der Sensoranordnung angepasst und/oder in Abhängigkeit der Anforderungen an die Sensoranordnung während der Anwendung der Sensoranordnung gewählt. Die Lage des Teilbereichs innerhalb des Messbereichs ist insbesondere durch die Wahl der Position der zweiten und/oder dritten Spulenanordnung relativ zur ersten Spulenanordnung festlegbar. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Teilbereich weniger als 10% des gesamten Messbereichs des ersten Positionssensors ausmacht. Es ist beispielsweise denkbar, dass der gesamte Verfahrbereich bzw. Messbereich 2*35 mm ist und der Teilbereich 2*2.5 mm.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist insbesondere für eine Hinterachslenkung, eine Electric-power-steering-Lenkung oder eine Steer-by-wire-Lenkung verwendbar. Bei einer Steer-by-wire-Lenkung handelt es sich insbesondere um eine Lenkung, bei der ein Lenkbefehl von einem Sensor, insbesondere dem Lenkrad, über ein Steuergerät, vorzugsweise ausschließlich, elektrisch zum elektromechanischen Aktor, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet wird. Es besteht bei einem solchen System insbesondere keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Sensoranordnung mithilfe einer Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die erste Spulenanordnung in einem ersten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die zweite Spulenanordnung und/oder die dritte Spulenanordnung in einem zweiten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet sind,
vorzugsweise wobei das erste Teilschichtsystem zwischen dem zweiten Teilschichtsystem und einem Messobjekt, insbesondere einem Target, der Sensoranordnung angeordnet ist. Die erste Spulenanordnung ist somit vorzugsweise in einem anderen Teilschichtsystem der Leiterplatte, insbesondere eines PCBs (printed circuit boards), ausgebildet als die zweite und dritte Spulenanordnung. Hierdurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass die zweite und dritte Spulenanordnung bei einer Aufsicht auf die Leiterplatte einen Überlapp mit der ersten Spulenanordnung ausbilden. Somit kann ein Teilbereich des gesamten Messbereichs des ersten Positionssensors vorteilhafterweise auch durch den zweiten und dritten Positionssensor vermessen werden. Die zweite und dritte Spulenanordnung sind vorzugsweise weiter entfernt von dem Messobjekt angeordnet als die erste Spulenanordnung. Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung der zweiten und dritten Spulenanordnung in größerer Entfernung zum Messobjekt die Funktionsweise nicht einschränkt. Es ist insbesondere denkbar, dass ein Kern der Leiterplatte, insbesondere ein „PCB-Core“, zwischen der zweiten und dritten Spulenanordnung und dem Messobjekt angeordnet ist. Durch die Verwendung des ersten Teilschichtsystems und des zweiten Teilschichtsystems ist ein Tiefenversatz der zweiten und dritten Spulenanordnung relativ zur ersten Spulenanordnung möglich. Hierdurch wird der verfügbare Raum der Leiterplatte vorteilhaft genutzt, um einen zweiten und dritten Positionssensor auszubilden.
Es ist denkbar, dass das erste Teilschichtsystem eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten umfasst. Es ist denkbar, dass das zweite Teilschichtsystem eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten umfasst. Es ist denkbar, dass zwischen benachbarten leitfähigen Schichten elektrisch isolierende Schichten ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Sensoranordnung eine oder mehrere Senderspulen aufweist, wobei die Senderspulen vorzugsweise in dem ersten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet sind. Die eine oder mehreren Senderspulen sind typischerweise um die erste Spulenanordnung angeordnet und/oder umgeben diese. Die eine oder die mehreren außenliegenden Senderspulen induzieren ein Messsignal in die innenliegende erste, zweite und dritte Spulenanordnung, wobei ein Teil des ausgesendeten Feldes durch die Wirbelströme in dem beweglichen, elektrisch leitfähigen Messobjekt abgeschirmt wird, sodass die resultierende induzierte Spannung in der ersten, zweiten und/oder dritten Spulenanordnung eine Information über die Position des Messobjekts gibt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die erste Spulenanordnung eine oder mehrere erste Spulen aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung eine oder mehrere zweite Spulen aufweist, wobei die dritte Spulenanordnung eine oder mehrere dritte Spulen aufweist. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen des zweiten Positionssensors sowie die eine oder die mehreren dritten Spulen des dritten Positionssensors weisen vorzugsweise eine größere Wicklungsdichte, insbesondere eine höhere Anzahl an Wicklungen pro Länge, auf als die eine oder die mehreren ersten Spulen des ersten Positionssensors. Somit ist eine erhöhte Messgenauigkeit mithilfe des zweiten Positionssensors und dritten Positionssensors in dem Teilbereich erzielbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der zweite Positionssensor und/oder der dritte Positionssensor eine höhere Auflösung und/oder Genauigkeit, insbesondere bezüglich einer Positionsmessung mithilfe des Messobjekts, aufweisen als der erste Positionssensor. Die eine oder die mehreren ersten Spulen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass der gesamte zu messende Stroke der Lenkung mithilfe der einen oder der mehreren ersten Spulen messbar ist. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen und die eine oder die mehreren dritten Spulen decken einen im Vergleich zu den ersten Spulen kleineren Teilbereich des gesamten Messbereichs ab, der mithilfe der einen oder der mehreren zweiten Spulen sowie der einen oder der mehreren dritten Spulen mit erhöhter Genauigkeit vermessen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die eine oder die mehreren ersten Spulen teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder
dass die eine oder die mehreren zweiten Spulen teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder
dass die eine oder die mehreren dritten Spulen teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen sowie die eine oder die mehreren dritten Spulen sind dabei im Vergleich zu der einen oder den mehreren ersten Spulen in Verfahrrichtung des Targets (bzw. Längsrichtung der Sensoranordnung) gestaucht, da die eine oder die mehreren zweiten Spulen sowie die eine oder die mehreren dritten Spulen lediglich über einen Teilbereich des gesamten Messbereichs der Sensoranordnung ausgebildet sind. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit im Teilbereich gesteigert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass zumindest eine der zumindest teilweise sinusförmigen oder kosinusförmigen zweiten Spulen des zweiten Positionssensors um 45° versetzt zu zumindest einer der zumindest teilweise sinusförmigen oder kosinusförmigen dritten Spulen des dritten Positionssensors ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die zweite Spulenanordnung relativ zur dritten Spulenanordnung um 45° versetzt. Besonders bevorzugt ist dabei jeweils eine der zweiten Spulen zu jeweils einer der dritten Spulen um 45° versetzt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lenkung, insbesondere eine Hinterachslenkung, eine Electric-power-steering-Lenkung oder eine Steer-by-wire-Lenkung, wobei die Lenkung eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst,
bevorzugt wobei mithilfe der Sensoranordnung ein Lenkwinkel der Lenkung ermittelbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist es denkbar, dass die Lenkung einen Aktuator aufweist, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses oder zumindest relativ zu einem Gehäuse longitudinal verlagerbar ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, gehäusefest angeordnet ist, wobei die Leiterplatte, aufweisend die erste, zweite und dritte Spulenanordnung, direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist, wobei die Leiterplatte, aufweisend die erste, zweite und dritte Spulenanordnung, gehäusefest angeordnet ist. In beiden Fällen kann mithilfe der Sensoranordnung die relative axiale Position der Schubstange gegenüber dem Gehäuse ermittelt werden. Hierdurch ist der Lenkwinkel ermittelbar. Der Lenkwinkel bezieht sich dabei insbesondere auf die Lenkwinkelstellung der Räder der Achse des Fahrzeugs, die der Lenkung zugeordnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder eine Lenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei eine Position eines Messobjekts mithilfe der Sensoranordnung gemessen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt denkbar, dass - bei einer Positionierung des Messobjekts in dem Teilbereich des Messbereichs -
eine Position des Messobjekts zumindest mithilfe eines Messsignals des zweiten Positionssensors und/oder mithilfe eines Messsignals des dritten Positionssensors ermittelt wird. Vorzugsweise werden in dem Teilbereich des Messbereichs sowohl das Messsignal des zweiten Positionssensors als auch das Messsignal des dritten Positionssensors verwendet. Es ist denkbar, dass innerhalb des Teilbereichs ausschließlich die Messsignale des zweiten und dritten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet werden. Es ist alternativ denkbar, dass innerhalb des Teilbereichs sowohl die Messsignale des zweiten und dritten Positionssensors als auch das Messsignal des ersten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet wird. Außerhalb des Teilbereichs wird vorzugsweise das Messsignal des ersten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet. Vorzugsweise wird im Betrieb der Sensoranordnung ein Wechselstrom durch die eine oder die mehreren Senderspulen geleitet, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Das so erzeugte magnetische Feld wirkt auf da Messobjekt bzw. das Target und induziert einen Wirbelstrom im Messobjekt. Das Gegenfeld der Wirbelströme schirmt das Senderfeld ab, sodass eine Art „Feldschatten“ für das magnetische Senderfeld entsteht. Die Messsignale der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Spulenanordnung sind somit abhängig von der Position des Messobjekts entlang des Verfahrwegs des Messobjekts.
Es ist vorzugsweise denkbar, dass die Messsignale des ersten, zweiten und dritten Positionssensors zur weiteren Verwendung und/oder Analyse einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass die weitere Verwendung und/oder Analyse der Messsignale computerimplementiert erfolgt.
Für die erfindungsgemäße Lenkung, das erfindungsgemäße Fahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsmessung können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung beschrieben worden sind. Für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, die erfindungsgemäße Lenkung und das erfindungsgemäße Fahrzeug können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsmessung oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsmessung beschrieben worden sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigen:

1 eine Hinterachslenkung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt;
2 eine Ausführungsform einer Electric-Power-Steering-Lenkung;
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht durch die Anordnung der 3;
5a eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5b Simulationen für die magnetische Flussdichte B;
6 eine Schnittansicht einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9a eine Aufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9b eine Ansicht der Sensoranordnung gemäß der 9a von unten;
10 einen atan2 bzw. eine Winkelausgabe in Abhängigkeit der Position des Messobjekts für einen ersten Positionssensor, einen zweiten Positionssensor und einen dritten Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist eine Hinterachslenkung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Hinterachslenkung umfasst ein Gelenk 1 für die Anbindung der Spurstange. Ferner sind ein Motor 2 und der Riemenantrieb 3 sowie eine Getriebeeinheit 4 dargestellt. Die Hinterachslenkung weist ein elektronisches Steuergerät 5 (ECU) auf, das an dem Motor 2 montiert ist. Ferner ist eine Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorhanden. Die Sensoranordnung ist insbesondere als Linearsensoranordnung ausgebildet, mit der eine Positionsänderung der Lenkstange gegenüber einem Gehäuse ermittelbar ist, sodass ein Einschlag- bzw. Lenkwinkel ermittelbar ist.
In 2 ist eine Ausführungsform einer Electric-Power-Steering-Lenkung für ein Fahrzeug gezeigt, in die eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integrierbar ist.
In 3 ist ein Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere ist ein erster Positionssensor 20 dargestellt, der als Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Der erste Positionssensor 20 umfasst mehrere erste Spulen 21, 22, 23, 24, die innerhalb einer Fläche ausgebildet sind und sich jeweils kosinusförmig bzw. sinusförmig erstrecken. Insgesamt umfasst der erste Positionssensor vier erste Spulen 21, 22, 23, 24. Diese ersten Spulen 21, 22, 23, 24, bilden gemeinsam die erste Spulenanordnung des ersten Positionssensors. Bei den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 handelt es sich um die Empfangsspulen des ersten Positionssensors 20. Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 wird von zwei Senderspulen 50, 51 umgeben. Die Senderspulen 50, 51 sind vorzugsweise in der gleichen Fläche ausgebildet wie die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 und liegen außen um die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 bzw. umgeben diese. Die Senderspulen 50, 51 werden mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt, so dass sie ein magnetisches Feld erzeugen. Oberhalb der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 ist ein elektrisch leitfähiges Messobjekt 60 angeordnet. Das Messobjekt ist relativ zur Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 beweglich. Das Messobjekt 60 beeinflusst das magnetische Feld abhängig von seiner Position und somit das Messsignal der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24.
Der erste Positionssensor 20 umfasst gemäß der dargestellten Ausführungsform somit insbesondere zwei Teilsensoren, die jeweils eine Senderspule 50, 51 und zwei Empfangsspulen 21, 22, 23, 24 aufweisen, wobei die Empfangsspulen jeweils eine Sinusform bzw. Kosinusform haben. Die Messsignale sind somit sinus- bzw. kosinusförmig. Der Zusammenhang zwischen der Messobjektsposition und dem Messsignal ist dabei linear (Arcustangensfunktion).
In 4 ist eine Schnittansicht durch die Anordnung der 3 schematisch dargestellt. Zwischen einer Oberlage 52 und einer Unterlage 53 des Positionssensors 20 sind Durchkontaktierungen 55, insbesondere Via, ausgebildet, die die beiden Lagen 52, 53 verbinden. Im mittleren Bereich 58 ist die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 ausgebildet. In äußeren Bereichen 57, 57' befinden sich die Senderspulen 50, 51.
In 5a ist eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend der 3 gezeigt. Die Pfeile 200, 201 geben die Blickrichtung für die 5b an. In 5b sind Simulationen für die magnetische Flussdichte B dargestellt. Der linke Teil der 5b zeigt dabei einen lokalen Zustand in Abwesenheit des Messobjekts 60 und der rechte Teil der 5b zeigt eine Simulation der magnetischen Flussdichte in Anwesenheit des Messobjekts 60. Das magnetische Feld geht von den Senderspulen 50, 51 aus. Änderungen des magnetischen Felds induzieren eine messbare elektrische Spannung in der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24. Im Bereich des Messobjekts 60 (siehe rechter Teil der 5b) wird das magnetische Feld der Senderspulen 50, 51 abgeschirmt, sodass sich ein Schirmeffekt, dargestellt durch den Pfeil 100, ergibt. Diese Abschirmung erfolgt durch Wirbelströme im leitfähigen Messobjekt 60. Die in der Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 induzierte elektrische Spannung wird somit beim Überfahren der Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 durch das Messobjekt 60 geändert bzw. moduliert. Hierdurch ist eine Positionsmessung des Messobjekts 60 möglich.
In 6 ist eine Schnittansicht einer Leiterplatte 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Leiterplatte 80 ist insbesondere als printed circuit board (PCB) ausgebildet. Die Leiterplatte umfasst ein erstes Teilschichtsystem 81 und ein zweites Teilschichtsystem 82, die sich parallel zueinander erstrecken. Zwischen dem ersten und zweiten Teilschichtsystem 81, 82 ist ein Kern 97 der Leiterplatte 80 angeordnet. Das erste Teilschichtsystem 81 ist dabei an der dem Messobjekt 60 zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet. Das erste Teilschichtsystem 81 liegt somit zwischen dem zweiten Teilschichtsystem 82 und dem Messobjekt 60.
Das erste Teilschichtsystem 81 umfasst zwei leitfähige Schichten 91, 92, insbesondere Kupferschichten. Zwischen den leitfähigen Schichten 91, 92 sind eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten 95 angeordnet. Das zweite Teilschichtsystem 82 umfasst zwei leitfähige Schichten 93, 94, insbesondere Kupferschichten. Zwischen den leitfähigen Schichten 93, 94 sind eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten 96 angeordnet.
Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors 20 ist im ersten Teilschichtsystem 81, insbesondere mithilfe einer oder beider der leitfähigen Schichten 91, 92 des ersten Teilschichtsystems 81, ausgebildet. Die zweite Spulenanordnung 31, 32 des zweiten Positionssensors 30 ist im zweiten Teilschichtsystem 82, insbesondere mithilfe einer oder beider der leitfähigen Schichten 93, 94 des zweiten Teilschichtsystems 82, ausgebildet. Bevorzugt ist auch die dritte Spulenanordnung 41, 42 des dritten Positionssensors 40 im zweiten Teilschichtsystem 82, insbesondere mithilfe einer oder beider der leitfähigen Schichten 93, 94 des zweiten Teilschichtsystems 82, ausgebildet. Die Senderspulen 50, 51 sind vorzugsweise im ersten Teilschichtsystem 81 ausgebildet.
In 7 ist ein Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere ist die zweite Spulenanordnung 31, 32 eines zweiten Positionssensors 30 gezeigt. Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 und die dritte Spulenanordnung 41, 42 sind hingegen nicht dargestellt. Die zweite Spulenanordnung umfasst zwei zweite Spulen 31, 32. Die zweiten Spulen 31, 32 sind lediglich in einem zentralen Teilbereich des gesamten Messbereichs der Sensoranordnung 10 ausgebildet. Sie weisen eine im Vergleich zu den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors (vgl. 3) gestauchte Sinusform bzw. Kosinusform auf. Durch diese Stauchung ist die Sensitivität der zweiten Spulen 31, 32 innerhalb des Teilbereichs des gesamten Messbereichs höher als die der ersten Spulen 21, 22, 23, 24.
In 8 ist ein Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere ist die dritte Spulenanordnung 41, 42 eines dritten Positionssensors 40 gezeigt. Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 und die zweite Spulenanordnung 31, 32 sind hingegen nicht dargestellt. Die dritte Spulenanordnung umfasst zwei dritte Spulen 41, 42. Die dritten Spulen 41, 42 sind lediglich in einem zentralen Teilbereich des gesamten Messbereichs der Sensoranordnung 10 ausgebildet. Sie weisen eine im Vergleich zu den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors (vgl. 3) gestauchte Sinusform bzw. Kosinusform auf. Durch diese Stauchung ist die Sensitivität der dritten Spulen 41, 42 innerhalb des Teilbereichs des gesamten Messbereichs, in dem sie ausgebildet sind, höher als die der ersten Spulen 21, 22, 23, 24.
In den 9a und 9b ist eine Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere sind dabei sowohl die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors 20 als auch die zweite Spulenanordnung 31, 32 des zweiten Positionssensors 30 und die dritte Spulenanordnung 41, 42 des dritten Positionssensors 40 sowie die Senderspulen 50, 51 dargestellt. Während die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 zur Messung des gesamten Strokes über die gesamte Sensorlänge ausgebildet sind, sind die zweite Spulenanordnung 31, 32 und die dritte Spulenanordnung 41, 42 lediglich in einem zentralen Teilbereich ausgebildet. Die dritte Spulenanordnung 41, 42 ist im Vergleich zur zweiten Spulenanordnung 31, 32 räumlich um 45° versetzt. Mithilfe des zweiten und dritten Positionssensors 30, 40 kann somit eine erhöhte Messgenauigkeit sowie eine vorteilhafte Redundanz in dem zentralen Messbereich erreicht werden. In 9a ist eine Aufsicht von oben auf die Sensoranordnung 10 (also aus Richtung des Messobjekts 60) und in 9b eine Sicht von unten auf die Sensoranordnung 10 dargestellt.
Durch die Verwendung des ersten Teilschichtsystems 81 und des zweiten Teilschichtsystems 82 ist ein Tiefenversatz der zweiten Spulenanordnung 31, 32 und der dritten Spulenanordnung 41, 42 relativ zur ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 möglich. Hierdurch wird der verfügbare Raum der Leiterplatte 80 vorteilhaft genutzt, um zusätzlich zum ersten Positionssensor 20 einen zweiten Positionssensor 30 und einen dritten Positionssensor 40 auszubilden, in welchen auf einem vorzugsweise stark reduzierten Verfahrweg (Stroke) eine stärkere Winkeländerung d_phi/dx beim Verfahren des Messobjekts 60 über diesen Teilbereich erfolgt (vgl. 10). Diese stärkere Winkeländerung wird insbesondere durch die Stauchung der zweiten Spulen 31, 32 und dritten Spulen 41, 42 im Vergleich zu den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 erreicht. Hierdurch ist die Auflösung d_phi/dx in diesem Teilbereich, insbesondere der Anstieg der Kurve bzw. des atan2 (vgl. 10), um mehrere Faktoren gegenüber dem übrigen Messbereich der Sensoranordnung 10 vergrößerbar. Die weiterhin angepasste Form der teilweise kosinus- bzw. sinusförmigen Spulen resultiert aus der notwendigen Kompensation des Offsets (Offset = induzierte Spannung bei Abwesenheit des Messobjekts).
In 10 ist die Winkelausgabe [deg] des atan2 in Abhängigkeit der Position P [mm] des Messobjekts 60 für einen ersten Positionssensor (Kurve 400), einen zweiten Positionssensor (Kurve 401) sowie einen dritten Positionssensor (Kurve 402) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Während die erste Spulenanordnung zur Messung über den gesamten Verfahrweg des Messobjekts 60 ausgebildet ist, sind die zweite Spulenanordnung und die dritte Spulenanordnung in einem zentralen Teilbereich 600 des gesamten Verfahrwegs sensitiv. Hierdurch kann mithilfe der zweiten und dritten Spulenanordnungen die Messgenauigkeit in diesem zentralen Teilbereich 60 verbessert werden. Insbesondere kann bei dem dargestellten Beispiel die Auflösung d_phi/dx um einen Faktor von ca. 6 verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gelenk
2: Motor
3: Riemenantrieb
4: Getriebeeinheit
5: elektronisches Steuergerät
10: Sensoranordnung
20: erster Positionssensor
21, 22, 23, 24: erste Spulen
30: zweiter Positionssensor
31, 32: zweite Spulen
40: dritter Positionssensor
41, 42: dritte Spulen
50, 51: Senderspulen
52: Oberlage
53: Unterlage
55: Durchkontaktierung
57, 57`: äußere Bereiche
58: mittlerer Bereich
60: Messobjekt
80: Leiterplatte
81: erstes Teilschichtsystem
82: zweites Teilschichtsystem
91, 92: leitfähige Schichten des ersten Teilschichtsystems
93, 94: leitfähige Schichten des zweiten Teilschichtsystems
95: isolierende Schicht
96: isolierende Schicht
97: Kern
100: Schirmeffekt
200, 201: Blickrichtung
400- 402: Kurven
600: Teilbereich
P: Position des Messobjekts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018130228 B3 [0004]

Claims

Sensoranordnung (10) für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei die Sensoranordnung (10) einen ersten Positionssensor (20) mit einer ersten Spulenanordnung (21, 22, 23, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) einen zweiten Positionssensor (30) mit einer zweiten Spulenanordnung (31, 32) aufweist, wobei die Sensoranordnung (10) einen dritten Positionssensor (40) mit einer dritten Spulenanordnung (41, 42) aufweist, wobei der zweite Positionssensor (30) und der dritte Positionssensor (40) zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors (20) ausgebildet sind.
Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Sensoranordnung (10) mithilfe einer Leiterplatte (80) ausgebildet ist, wobei die erste Spulenanordnung (21, 22, 23, 24) in einem ersten Teilschichtsystem (81) der Leiterplatte (80) ausgebildet ist, wobei die zweite Spulenanordnung (31, 32) und/oder die dritte Spulenanordnung (41, 42) in einem zweiten Teilschichtsystem (82) der Leiterplatte (80) ausgebildet sind, vorzugsweise wobei das erste Teilschichtsystem (81) zwischen dem zweiten Teilschichtsystem (82) und einem Messobjekt (60), insbesondere einem Target, der Sensoranordnung (10) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (10) eine oder mehrere Senderspulen (50, 51) aufweist, wobei die Senderspulen (50, 51) vorzugsweise in dem ersten Teilschichtsystem (81) der Leiterplatte (80) ausgebildet sind.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spulenanordnung (21, 22, 23, 24) eine oder mehrere erste Spulen (21, 22, 23, 24) aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung (31, 32) eine oder mehrere zweite Spulen (31, 32) aufweist, wobei die dritte Spulenanordnung (41, 42) eine oder mehrere dritte Spulen (41, 42) aufweist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Positionssensor (30) und/oder der dritte Positionssensor (40) eine höhere Auflösung und/oder Genauigkeit, insbesondere bezüglich einer Positionsmessung mithilfe des Messobjekts (60), aufweisen als der erste Positionssensor (1).
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren ersten Spulen (21, 22, 23, 24) teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder wobei die eine oder die mehreren zweiten Spulen (31, 32) teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder wobei die eine oder die mehreren dritten Spulen (41, 42) teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der zumindest teilweise sinusförmigen oder kosinusförmigen zweiten Spulen (31, 32) des zweiten Positionssensors (30) um 45° versetzt zu zumindest einer der zumindest teilweise sinusförmigen oder kosinusförmigen dritten Spulen (41, 42) des dritten Positionssensors (40) ausgebildet ist.
Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, Electric-power-steering-Lenkung oder Steer-by-wire-Lenkung, wobei die Lenkung eine Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, bevorzugt wobei mithilfe der Sensoranordnung (10) ein Lenkwinkel der Lenkung ermittelbar ist.
Fahrzeug, aufweisend eine Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eine Lenkung nach Anspruch 8.
Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Position eines Messobjekts (60) mithilfe der Sensoranordnung (10) gemessen wird.