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Die Erfindung betrifft einen induktiven Linearwegsensor zum Aufnehmen einer Position eines entlang eines Messweges beweglichen Messziels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, oder allgemein ein mechatronisches System, welches sich beispielsweise in einem Fahrzeug befindet, mit einem induktiven Linearsensor gemäß der obig bezeichneten Art.
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Bekannte induktive Linearwegsensoren der bezeichneten Art werden beispielsweise zum Aufnehmen einer Position einer Lenkung, insbesondere einer Vorderachslenkung oder einer Hinterachslenkung für ein Fahrzeug verwendet. Dabei wird die Position eines Messzieles gegenüber dem Linearwegsensor ermittelt und daraus ein Rückschluss auf einen Lenkeinschlag gezogen. Solche induktiven Linearwegsensoren sind unter anderem mit einem redundanten Aufbau bekannt, sodass ein entsprechendes Sicherheitslevel für den sicheren Betrieb einer entsprechenden Lenkung eingehalten werden kann.
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Bei solchen induktiven Linearwegsensoren liegt es im Interesse einer sicheren Signalverarbeitung, dass ein entsprechendes Messsignal eine möglichst hohe Amplitude aufweist, um beispielsweise Störeinflüsse bestmöglich herausfiltern zu können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen induktiven Linearwegsensor zum Aufnehmen einer Position eines entlang eines Messweges beweglichen Messziels gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.
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Ein Ausbilden des Messziels mit einem ersten Teilmessziel und einem zweiten Teilmessziel macht es beispielsweise möglich, jeweils in unterschiedlichen Bereichen, nämlich elektromagnetischen Einflussbereichen der Sendespule und/oder der zumindest einen Empfangsspule, eine entsprechende elektromagnetische Reaktion des Messziels hervorzurufen und auszuwerten und damit insgesamt die Signalamplitude anzuheben, da mehrere Teilmessziele eine entsprechende Signalamplitude hervorrufen, wobei sich die jeweiligen Signalamplituden, insbesondere durch ein Überlagern entsprechender Wirbelstromflüsse der jeweiligen Teilmessziele, ergänzen oder addieren und dann beispielsweise mittels der zumindest einen Empfangsspule gemeinsam in Form eines angehobenen Signals ausgewertet werden können.
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Folgende Begriffe seien an dieser Stelle erläutert:
- Ein „induktiver Linearwegsensor“ ist ein Messelement, ein Sensor oder ein anderes elektrisches oder elektronisches Element, welches dazu geeignet ist, entsprechende Sensorsignale in elektrischer oder elektronischer Form zu generieren, um beispielsweise einen Linearweg eines Messziels aufzunehmen. Ein solcher induktiver Linearwegsensor weist dabei beispielsweise Spulen auf, mittels welcher eine elektromagnetische Reaktion, insbesondere eine elektromagnetische Reaktion des Messzieles, welche beispielsweise durch eine Einflussnahme auf die elektromagnetische Reaktion des Messzieles durch eine Ortsveränderung der Teilmessziele erreicht wird, aufgenommen werden kann. Zudem kann ein solcher induktiver Linearwegsensor auch eine Spule oder mehrere Spulen zum Anregen eines solchen Messzieles umfassen.
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Eine „Position entlang eines Messweges“ ist dabei ein Ort, insbesondere ein relativer Ort, in Bezug zu beispielsweise einer Längsachse oder einer Messachse des induktiven Linearwegsensors, welcher relativ oder auch absolut angegeben werden kann, beispielsweise als Ausgabesignal des induktiven Linearwegsensors.
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Ein „Messziel“ ist beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein flächiges Stück Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, welches von insbesondere hochfrequenten elektromagnetischen Feldern der Sendespule angeregt wird und dann eine elektromagnetische Wirkung, verändernd oder auch abschirmend, auf eine oder mehrere Empfangsspulen entfaltet, sodass beispielsweise ein elektrisches oder auch elektromagnetisches Verhalten einer oder mehrerer Empfangsspulen so verändert wird, dass diese Veränderung als Messsignal des induktiven Linearwegsensors aufnehmbar ist. Dabei kommt es beispielsweise zu einem Einkoppeln, Abschirmen, zumindest teilweisen Ausblenden eines ohne das Messziel größtenteils nicht messbaren Signals an der entsprechenden Stelle der jeweiligen Empfangsspule. Ein solches Messziel kann allerdings auch jede andere Anordnung sein, welche elektromagnetische Signale aufnehmen, umwandeln und/oder weitergeben kann. Beispielsweise weist das „Messziel“ einen oder mehrere Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung, also beispielsweise einer Leiterplatine (PCB, printed circuit board) auf. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise die gedruckte Schaltung eine möglichst große, insbesondere zusammenhängende Fläche leitenden Materials aufweist, um ein vorteilhaftes elektromagnetisches Verhalten zu erreichen.
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Ein solches Messziel weist dabei zumindest ein erstes „Teilmessziel“ und ein zweites „Teilmessziel“ und/oder weitere Teilmessziele, auf, wobei diese Teilmessziele jeweils einzelne entsprechend elektromechanisch wirksame Einheiten sind, die vom jeweils anderen Teilmessziel räumlich und/oder elektromagnetisch getrennt ausgeführt sind, also in unterschiedlichen Anordnungsbereichen angeordnet sind und/oder eine elektromagnetische, insbesondere galvanische, Trennung zueinander aufweisen. Sofern im Folgenden allgemein das Messziel genannt ist, sind insbesondere jeweils auch die dazugehörigen Teilmessziele in ihrer jeweiligen Wirkung inbegriffen.
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Ein „Grundkörper“ ist beispielsweise ein Gehäuse, ein Rahmen oder auch eine andere stützende Anordnung des induktiven Linearwegsensors, welche dazu geeignet ist, übrige Bestandteile zu halten, zu stützen und/oder aufzunehmen. Beispielsweise ist ein solcher Grundkörper ein Spritzgussbauteil oder der mechanisch wirksame Teil einer Leiterplatine aus Kunststoff, in welchem insbesondere entsprechende Spulen aufgenommen, aufgedruckt oder direkt in das Material des Grundkörpers eingespritzt sein können.
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Eine „Sendespule“ ist beispielsweise eine ringförmige, ovale oder auch anders geformte Anordnung aus insbesondere konzentrischen Leiterbahnen, welche geeignet ist, damit eine Spulenfläche, nämlich eine Induktionsfläche, aufzuspannen, sodass bei einem Anlegen einer Spannungsveränderung, insbesondere einer Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 1MHz bis 100MHz, an die Sendespule ein entsprechendes zeitveränderliches elektromagnetisches Signal ausgesendet wird, welches dann beispielsweise von den Teilmesszielen aufgenommen werden kann. Eine Anordnung dieser Sendespule „entlang des Messweges“ beschreibt dabei den Umstand, dass beispielsweise die Sendespule eine Induktionsfläche aufspannt, welche insbesondere mindestens den kompletten Messweg des induktiven Linearwegsensors überspannt und damit ein Anregen des Messzieles mit den entsprechenden Teilmesszielen entlang des vollständigen Messweges ermöglicht.
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Eine „Empfangsspule“ beschreibt eine entsprechende Anordnung einer Leiterbahn oder mehrerer Leiterbahnen, wobei mittels der ersten Empfangsspule eine Induktionsfläche aufgespannt wird, also die Empfangsspule derart geometrisch angeordnet ist, dass zwischen den jeweiligen Leiterbahnen eine entsprechende Fläche aufgespannt wird. Eine solche Empfangsspule weist dabei beispielsweise einen ersten Empfangsspulenstrang und einen zweiten Empfangsspulenstrang auf, wobei ein jeweiliger Empfangsspulenstrang eine auf beispielsweise einer jeweiligen Seite einer Mittelachse oder auf einer jeweiligen Seite des Messweges angeordnete Leiterbahnen beschreibt. Ein solcher erster Empfangsspulenstrang und zweiter Empfangsspulenstrang ist dabei derart geometrisch getrennt voneinander angeordnet, dass eine entsprechende Induktionsfläche, nämlich die Fläche zwischen den jeweiligen Empfangsspulensträngen, aufgespannt wird.
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Ein Verlauf im Wesentlichen entlang eines gemäß einer elementaren trigonometrischen Funktion beschreibt dabei, dass entsprechende Empfangsspulenstränge dabei entlang des Messweges getrennt voneinander, jedoch jeweils auf unterschiedlichen Seiten des Messweges angeordnet verlaufen können. Kennzeichnend für eine „im Wesentlichen gemäß einer elementaren trigonometrischen Funktion“ verlaufenden Anordnung ist dabei der Umstand, dass eine mäandernde Anordnung gewählt wird, beispielsweise in etwa gemäß einer trigonometrischen Funktion, wie beispielsweise einer Sinusfunktion oder einer Cosinusfunktion, jedoch auch in anders gearteten Funktion. Vorteilhaft ist hierbei eine insbesondere wiederkehrende Periodizität der Funktion. „Im Wesentlichen“ beschreibt dabei, dass keine mathematisch exakte trigonometrisch Funktion abgebildet sein muss, sondern auch eine andere, mäandernde, beispielsweise verrundete oder rechteckartige Funktion, die einer trigonometrischen Funktion dem Verlauf nach ähnelt, abgebildet sein kann.
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Eine „Induktionsfläche“ ist eine jeweilige zwischen den jeweiligen Empfangsspulensträngen aufgespannte geometrische Fläche, welche in Zusammenhang mit einer elektrischen Anregung der entsprechenden Sendespule ein induktives Zusammenwirken der jeweiligen Sendespule oder Empfangsspule mit dem Messziel ermöglicht, sodass an der Empfangsspule das Messen eines Signals ermöglicht ist. Eine Solche Induktionsfläche kann auch als „Spulenfläche“ bezeichnet werden.
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Ein „elektromagnetisches Anregen“ des Messziels beschreibt das oben schon bezeichnete Anregen des Messzieles mittels beispielsweise einer Wechselspannung, welche an der Sendespule angelegt wird, sodass elektromagnetische Felder auf das Messziel, insbesondere die jeweiligen Teilmessziele, übergehen und im Messziel auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit und/oder einer relativen magnetischen Permeabilität im Messziel Wirbelströme induzieren, welche eine Reaktion in der Empfangsspule hervorrufen. Diese Reaktionkann dann beispielsweise mittels eines „elektromagnetischen Auslesens“, gleichbedeutend einem induktiven Auslesens, durch die entsprechende Empfangsspule erfolgen, indem nämlich beispielsweise ein entsprechendes elektrisches Signal in der Empfangsspule erzeugt oder auch ein elektromagnetisches Verhalten der Empfangsspule durch ein entsprechend induziertes Magnetfeld des Messziels verändert wird. Dieses beispielsweise Abschirmen des Magnetfeldes für die jeweilige Empfangsspule ist ein Beispiel für eine „von der Position des Messziels abhängigen elektromagnetischen Reaktion“. Durch den mäandernden, insbesondere im Wesentlichen gemäß einer elementaren trigonometrischen Funktion angeordneten Verlauf wird dabei abhängig von der Position des Messziels gegenüber der entsprechenden Empfangsspule eine unterschiedliche elektromagnetische Reaktion hervorgerufen, da das Messziel über beziehungsweise in Bezug zu unterschiedlichen Induktionsflächenbereichen bewegt wird und damit auch eine unterschiedliche Reaktion ausgelesen werden kann. In diesem Zusammenhang beschreibt ein „Einflussbereich“ den Bereich, bei dem ein Einfluss des Messziels und/oder des jeweiligen Teilmessziels auf die Sendespule und/oder auf die zumindest eine Empfangsspule so groß ist, dass dieser Einfluss technisch sinnvoll messbar ist, also beispielsweise ein eindeutig auswertbares Signal erzeugbar ist. Insbesondere ist dies ein Bereich, der räumlich nah an der entsprechenden Spule angeordnet ist und demnach eine elektromagnetische Reaktion hervorruft, beispielsweise mit einer Ausdehnung von 1mm bis 4mm.
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Um eine weitere Erhöhung der Empfangsamplitude, also der elektromagnetischen Reaktion des Messziels, welche mittels der zumindest einen Empfangsspule aufgenommen wird, zu erreichen, weist das Messziel ein oder mehrere weitere Teilmessziele auf. Dabei sind jeweilige Teilmessziele insbesondere räumlich und/oder elektromagnetisch voneinander getrennt in einem Einflussbereich der Sendespule und/oder der zumindest einen Empfangsspule angeordnet.
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Werden jeweilige Teilmessziele mechanisch miteinander gekoppelt und insbesondere parallel und/oder synchron miteinander entlang des Messweges beweglich ausgebildet, können beispielsweise Gruppen von Teilmesszielen gebildet werden, also beispielsweise eine Anordnung aus einem ersten Teilmessziel und einem zweiten Teilmessziel, welche dann „parallel“ und/oder „synchron“ miteinander, also gleichzeitig miteinander oder gleichförmig miteinander in einer gleichen Richtung, entlang des Messweges bewegt werden. Hierbei kann eine einzelne Gruppe aus lediglich zwei Teilmesszielen ebenso realisiert sein wie mehrere, entlang des Messweges unterschiedlich positionierte Gruppen aus jeweils zwei oder mehreren Teilmesszielen, um beispielweise mittels einer Position unterschiedlicher Gruppen von Messzielen rechnerisch eine Fehlerkorrektur durch Berechnungen zwischen den einzelnen Gruppen aus Teilmesszielen vornehmen zu können. Somit wird aus einer jeweiligen Gruppe von Messzielen oder aus einer Gesamtheit von Teilmesszielen jeweils oder in der Gesamtheit eine entsprechende Signalerhöhung, nämlich eine Amplitudenerhöhung, erreicht.
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Um insbesondere durch eine örtliche Verdichtung eine entsprechende elektromagnetischen Wirksamkeit zu erreichen, sind jeweilige Teilmessziele an zueinander gegenüberliegend angeordneten Einflussbereichen der Sendespule und/oder an zueinander gegenüberliegend angeordneten Einflussbereichen der zumindest einen Empfangsspule angeordnet, wobei insbesondere jeweils zumindest zwei der jeweiligen Teilmessziele als miteinander korrespondierende Teilmesszielgruppe angeordnet sind. Durch diese Anordnung, insbesondere durch eine zueinander gegenüberliegend gewählte Anordnung, in entsprechenden Einflussbereichen kann beispielsweise eine jeweilige Vorderseite und eine jeweilige Rückseite der Sendespule und/oder der zumindest einen Empfangsspule jeweils mit einem Teilmessziel ausgestattet sein, sodass beidseitige elektromagnetische Einflüsse zum Erzeugen eines Signals genutzt werden können, womit insgesamt die erzielbare Signalstärke deutlich erhöht wird. Sind die Teilmessziele in einer miteinander korrespondierenden Teilmesszielgruppe angeordnet, so sind beispielsweise zwei Teilmessziele dicht beieinander und gegenüberliegend in direkter räumlicher Nähe miteinander angeordnet.
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Sofern zumindest zwei der jeweiligen Teilmessziele eine im Wesentlichen gleiche Grundfläche, eine im Wesentlichen gleiche Länge entlang des Messweges, eine im Wesentlichen gleiche Breite orthogonal zum Messweg und/oder eine im Wesentlichen gleiche elektromagnetische Signatur aufweisen, so wird eine besonders sichere und gleichförmige Signalerhöhung erreicht.
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Eine „im Wesentlichen gleiche Grundfläche“ beschreibt dabei insbesondere eine in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu einer jeweiligen Spulenfläche betrachtete projizierte Grundfläche, die beispielsweise zwischen zwei Teilmesszielen nahezu gleich oder auch im Rahmen von üblichen Toleranzen gleich ausgeführt ist. Dementsprechend beschreibt eine „im Wesentlichen gleiche Länge“ eine Ausdehnung des jeweiligen Teilmessziels entlang des Messweges. Analog dazu ist eine „im Wesentlichen gleiche Breite“ orthogonal zum Messweg und dazu orthogonal zu einer in etwa orthogonal durch eine durch die jeweilige Spule umgriffene Spulenfläche verlaufenden Achse bemessen. Gleiches gilt sinngemäß für die Dicke des jeweiligen Teilmesszieles orthogonal zu entsprechenden Spulenebenen. Ebenso oder auch ergänzend kann eine „im Wesentlichen gleiche elektromagnetische Signatur“ der entsprechenden Teilmessziele ausgebildet sein, indem beispielsweise durch eine entsprechende gleiche oder aber auch unterschiedliche Materialwahl oder unterschiedliche Anordnung von beispielsweise volumetrisch ausgedehnten Leiterbahnen auf einer gedruckten Schaltung einer unterschiedlichen Geometrie oder einer unterschiedlichen Anordnung der jeweiligen Teilmessziele derart Rechnung trägt, dass eine elektromagnetische Einwirkung auf die jeweiligen Spulen im Rahmen von entsprechenden Toleranzen gleich ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung „im Wesentlichen“ hierbei eine augenscheinliche Gleichheit oder starke Ähnlichkeit beschreibt, die beispielsweise technisch bedingte Abweichungen von 5 % oder auch 10 % mit einschließt.
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Insbesondere sind dabei zwei der jeweiligen Teilmessziele im Wesentlichen deckungsgleich im Bezug zu einer gegenüber dem Messweg orthogonal angeordneten Bezugsachse angeordnet. Damit wird eine direkte, spiegelähnliche Anordnung der jeweiligen Teilmessziele auf jeweiligen Seiten der jeweiligen Spulen erreicht, sodass eine entsprechende Verstärkung einer elektromagnetischen Reaktion und damit auch eine Signalverstärkung besonders ausgeprägt stattfindet.
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„Deckungsgleich“ beschreibt dabei eine Anordnung, in der beispielsweise eine gleiche Geometrie, nämlich eine gleiche Grundfläche, der entsprechenden Teilmessziele in Bezug zur orthogonal gegenüber dem Messweg und orthogonal zu einer jeweiligen Spulenfläche angeordneten Bezugsachse identisch oder nahezu identisch ist. Eine solche Deckungsgleichheit kann sich im Falle von nicht identisch ausgeformten Teilmesszielen auch auf einen Schwerpunkt entsprechender Messzielflächen, auf einen geometrischen Mittelpunkt oder auf einen elektromagnetischen Mittelpunkt oder eine elektromagnetische Symmetrieachse beziehen.
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Wird oder werden die Sendespule mittels eines Erregerschaltkreises elektromagnetisch angeregt, wobei insbesondere ein jeweiliger Schwingkreis mit einer Anregungsfrequenz mit der Sendespule elektrisch verbunden ist, kann damit die Sendespule beispielsweise in einer Frequenz elektromagnetisch angeregt werden, welche einer Resonanzfrequenz der Sendespule oder auch einer Resonanzfrequenz des Messzieles entspricht und damit ein bestmögliches Reaktionssignal des Messzieles erzeugt. Ebenso kann eine jeweilige Empfangsspule mittels eines weiteren Erregerschaltkreises so angeregt werden, dass elektromagnetische Eigenschaften des Messzieles und der jeweiligen Empfangsspule aufeinander abgestimmt sind, sodass eine bestmögliche elektromagnetische Reaktion auf eine Positionsveränderung des Messzieles mittels der jeweiligen Empfangsspule aufgenommen werden kann. Beispielsweise ist dazu ein Schwingkreis mit einer entsprechenden Anregungsfrequenz mit der Sendespule und/oder der jeweiligen Empfangsspule elektrisch verbunden.
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Ein „Erregerschaltkreis“ kann dabei jede elektrische oder elektronische Schaltung sein, welche dazu geeignet ist, die Sendespule und/oder eine jeweilige Empfangsspule in elektrische Schwingung zu versetzen. Beispielsweise ist ein solcher Erregerschaltkreis ein „Schwingkreis“, welcher im einfachsten Fall aus einer zusätzlich zur jeweiligen Spule angebrachten Kapazität, nämlich beispielsweise einem Kondensator, besteht.
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Um die Position des Messziels gegenüber dem induktiven Linearwegsensor entlang des Messweges in einfacher Weise mit elektronischen Mitteln auslesen zu können, ist eine Reaktionsspannung an der Empfangsspule oder einer jeweiligen Empfangsspule, insbesondere eine durch die Reaktion des Messziels induzierte Reaktionsspannung, mittels einer Messeinheit zum Messen einer elektrischen Spannung messbar. Somit reduziert sich die Aufgabe des Auslesens entsprechender Sensorsignale des induktiven Linearwegsensors auf das Auslesen entsprechender Spannungen oder Spannungsveränderungen, wodurch in der Folge einfache elektronische Bauteile genutzt werden können, um den induktiven Linearwegsensor zuverlässig auszulesen. Eine „Reaktionsspannung“ beschreibt dabei beispielsweise eine Veränderung der periodischen Wechselspannung, welche durch einen entsprechenden Schwingkreis auf die jeweilige Empfangsspule aufgeprägt ist. Eine „Messeinheit“ zum Messen einer elektrischen Spannung kann dabei beispielsweise ein Mikrocontroller, ein integrierter Schaltkreis oder auch eine oszilloskopische Anordnung sein.
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Sofern das Aufnehmen der Position, insbesondere einer absoluten Position, des linear entlang des Messweges beweglichen Messziels mittels einer mathematischen Berechnung, insbesondere einer Division, in einer Berechnungseinheit, welche dem induktiven Linearwegsensor zugeordnet ist, erfolgt, kann beispielsweise mittels der Berechnungseinheit bei um einen Betrag von π/2 gegeneinander verschobenen einander zugeordneten Empfangsspulen eine Division des Sinussignals einer ersten Empfangsspule und des Cosinussignals einer zweiten Empfangsspule, also mittels eines Bildens eines Kotangens, ein linearisiertes Winkelsignal bezüglich der Position des Messzieles ermittelt werden. Andere mathematische Berechnungen sind hier möglich, welche jeweils angepasst an die geometrische Ausformung der Empfangsspulen erfolgen können. Aus Berechnungen bezüglich jeweils zwei zueinander zugeordneten Empfangsspulen für mehrere Paare von Empfangsspulen, kann ein redundantes lineares Signal der Position des Messziels gegenüber dem Grundkörper des induktiven Linearwegsensors ermittelt werden.
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Eine „mathematische Berechnung“ beschreibt jede mögliche Addition, Subtraktion, Division oder Multiplikation oder auch komplexe Berechnung zwischen unterschiedlichen Signalen, beispielsweise unterschiedlichen Spannungsveränderungen an unterschiedlichen Empfangsspulen. Eine „Berechnungseinheit“ ist dabei beispielsweise ein Mikrocontroller, ein integrierter Schaltkreis oder eine elektronische Anordnung, welche dazu geeignet ist, entsprechende Berechnungen durchzuführen. Für einfache mathematische Berechnungen kann hierzu auch eine Anordnung aus entsprechenden Widerständen, beispielsweise eines Spannungsteilers, ausreichend sein. Ein „Signal“ der elektromagnetischen Reaktion ist beispielsweise eine Spannungsveränderung, eine Spannung oder ein insbesondere an einem Widerstand mittels Spannungsabfall gemessener Stromfluss, welcher zur Übermittlung des entsprechenden Messwertes dient.
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Um den induktiven Linearwegsensor besonders kompakt aufbauen zu können, ist die Sendespule an einem Außenbereich des Grundkörpers, insbesondere um einen Rand des Grundkörpers herum, angeordnet, wobei die Sendespule insbesondere aus mehreren Windungen und/oder mehreren Ebenen aus jeweiligen Windungen gebildet ist. Somit bildet die Sendespule beispielsweise eine äußere Begrenzung des induktiven Linearwegsensors, wodurch zusätzlich sichergestellt ist, dass ein entlang des Messweges über den induktiven Linearwegsensor geführtes Messziel jederzeit elektromagnetisch mit der Sendespule in Eingriff gebracht ist, wodurch ein besonders zuverlässiger induktiver Linearwegsensor geschaffen ist.
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Ein „Außenbereich“ beschreibt dabei den Bereich des Grundkörpers, welcher beispielsweise entlang einer Kontur des Grundkörpers mit einer Breite von beispielsweise 10 % der Fläche des Grundkörpers verläuft und welcher insbesondere elektrisch nicht leitfähig ist. Ein entsprechender „Rand“ des Grundkörpers verläuft dabei entlang der Kontur des Grundkörpers, beispielsweise entlang einer länglichen Ausdehnung des Grundkörpers. Eine „Windung“ der Sendespule ist ein jeweiliger geschlossener Verlauf einer entsprechenden Leiterbahn oder beispielsweise eines die Sendespule bildenden Drahtes, also ein Verlauf der Leiterbahn um einen Vollwinkel von 360°. Eine „Ebene“ aus jeweiligen Windungen beschreibt dabei eine geometrische Ebene, in welcher eine entsprechende Windung angeordnet ist, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse der entsprechenden Sendespule angeordnet ist.
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Sofern die jeweilige Empfangsspule von der Sendespule umgeben am Grundkörper, insbesondere innerhalb einer von der Sendespule gebildeten Grundfläche, angeordnet ist, wird eine besonders kompakte Bauweise sichergestellt, wobei insbesondere auch sichergestellt ist, dass ein entsprechendes Messziel jeweils mit der jeweiligen Empfangsspule elektromagnetisch im Eingriff ist, und zwar über den vollständigen Messweg des induktiven Linearwegsensors.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 10.
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Ein solches Fahrzeug kann die obig beschrieben Vorteile eines entsprechend zuverlässigen kompakt umgesetzten induktiven Linearwegsensors mit hoher Signalamplitude vorteilhaft nutzen. Beispielsweise kann so mittels einer Anordnung aus mehreren Teilmesszielen gemäß der obig beschriebenen Art ein redundanter induktiver Linearwegsensor mit hoher Signalamplitude geschaffen werden, welcher beispielsweise eine Vorderachslenkung oder eine Hinterachslenkung eines entsprechenden Fahrzeuges besonders betriebssicher gestaltet.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Lenkgetriebes in isometrischer Ansicht,
- 2 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung im Lenkgetriebe der 1,
- 3 eine Übersichtsdarstellung eines induktiven Linearwegsensors, sowie
- 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Darstellung von Signalen unterschiedlicher Linearwegsensoren.
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Ein Lenkgetriebe 101 weist einen Antrieb 103 auf, wobei der Antrieb 103 einen mittels Riementrieb angekoppelten Motor (nicht dargestellt) umfasst. Innerhalb eines Führungsrohres 105 ist ein Lenkgestänge 107 mit Anschlussköpfen 109 geführt. Es wird an dieser Stelle auf die detaillierte Ausgestaltung der Mechanik des Lenkgetriebes 101 verzichtet. Es sei jedoch erwähnt, dass der im Antrieb 103 befindliche Motor mittels eines Zahnriemens auf einen Spindelantrieb für das Lenkgestänge 107 einwirkt, sodass das Lenkgestänge 107 axial entlang einer Linearbewegung 111 im Lenkgetriebe 101 bewegt werden kann. Das Lenkgetriebe 101 ist beispielsweise für eine Hinterachslenkung eines Fahrzeuges (nicht dargestellt) eingesetzt, wobei dann entsprechende mechanische Bauteile einer Anlenkung der Hinterradlenkung, also beispielsweise Spurstangen oder Lenker mit den Anschlussköpfen 109 mechanisch kontaktiert werden, sodass mittels der Linearbewegung 111 des Lenkgestänges 107 ein Lenkeinschlag entsprechender Räder bewirkt wird.
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Weiterhin ist innerhalb des Antriebs 103 auf dem Lenkgestänge 107 ein Messziel 302 angeordnet, welches aus einem Teilmessziel 303 und einem Teilmessziel 305 gebildet ist und in Bezug zu einem fest gegenüber dem Antrieb 103 und dem Führungsrohr 105 angeordneten Linearwegsensor 301 mit der Linearbewegung 111 des Lenkgestänges 107 beweglich ist (detaillierte Darstellung siehe 2). Das Teilmessziel 303 und das Teilmessziel 305 sind auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Linearwegsensors 301 angeordnet, und zwar einerseits das Teilmessziel 305 auf der Oberseite 205 und andererseits das Teilmessziel 303 auf der Unterseite 203. Die Messziele 303 und 305 sind dabei als gedruckte Schaltungen (nicht detailliert dargestellt) ausgeführt und jeweils in ihrem Aufbau, ihren Abmessungen und dem jeweiligen elektromagnetischen Verhalten gleich. Das Teilmessziel 303 und das Teilmessziel 305 sind entlang einer Bezugsachse 352 deckungsgleich übereinander angeordnet. Die Bezugsachse 352 ist dabei orthogonal zu einer Mittelachse 351 und orthogonal zu jeweiligen Spulen des Linearwegsensors 301 angeordnet.
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Wird nun mittels des Antriebs 103 das Lenkgestänge 107 im Führungsrohr 105 bewegt, wobei das Lenkgestänge 107 die Linearbewegung 111 ausführt, so wird auch das Messziel 302, welches fest am Lenkgestänge 107 angeordnet ist, gegenüber dem Linearwegsensor 301 entlang einer Linearbewegung 311 bewegt. Dabei überstreicht das jeweilige Teilmessziel 303 und 305 den Linearwegsensor 301 entlang der Mittelachse 351, welche gleichzeitig auch entlang des Messweges des Linearwegsensors 301 verläuft. Dabei verändert jedes Teilmessziel 303 und 305 ein elektromagnetisches Verhalten des Linearwegsensors 301. Eine so aufgenommene Position des Messzieles 302 korreliert damit auch mit dem jeweiligen Lenkeinschlag, der durch die Bewegung des Lenkgestänges 107 verursacht wird und kann damit als Rückmeldung für den Lenkeinschlag verwendet werden.
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Der Linearwegsensor 301 weist einen Grundkörper 315 auf, welcher ein Kunststoff-Spritzgussteil ist. Entlang eines Randes 317 des Grundkörpers 315 verläuft in mehreren Ebenen (in die Bildebene hinein) eine Sendespule 321 aus Leiterbahnen, welche mittels eines externen Schwingkreises (nicht dargestellt) angeregt wird, sodass die Sendespule 321 in einem Betriebszustand ein konstantes, zeitlich veränderliches elektromagnetisches Wechselfeld mit beispielsweise einer konstanten Amplitude aussendet. Die Frequenz dieses Wechselfeldes ist dabei je nach Gegebenheiten auf das elektromagnetische Verhalten der Bauteile, insbesondere eines jeweiligen Teilmesszieles 303 oder 305, des Linearwegsensors 301 abgestimmt und kann je nach Anwendungsfall variieren, ist jedoch für den speziellen Anwendungsfall konstant. Die Abstimmung erfolgt dabei mit dem Zweck, ein möglichst eindeutiges und deutliches Signal erzeugen zu können, also beispielsweise auf eine Resonanzfrequenz oder bevorzugte Frequenz für die Ausbildung von Wirbelströmen im Messziel 302.
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Innerhalb der von der Sendespule 321 gebildeten Fläche ist eine Mehrzahl von Empfangsspulen angeordnet. Die Empfangsspule 331 sowie die Empfangsspule 335 sind dabei symmetrisch zu einer Symmetrieachse 353 angeordnet, verlaufen also beiderseits dieser Symmetrieachse 353 symmetrisch zu ihren jeweilig gegenüberliegend der Symmetrieachse 353 und der Mittelachse 351 liegenden Teilen der Spulenwindungen. Eine Empfangsspule 333 sowie eine Empfangsspule 337 sind asymmetrisch gegenüber der Symmetrieachse 353 entlang der Mittelachse 351 angeordnet. Die Empfangsspule 331 sowie die Empfangsspule 335 bilden eine erste Gruppe von Empfangsspulen, die Empfangsspule 333 sowie die Empfangsspule 337 bilden eine zweite Gruppe von Empfangsspulen. Eine jeweilige Gruppe von Empfangsspulen wird dabei zum Erzeugen jeweilig eines Teils eines redundanten Messsignals für eine Position des Messziels 302 in Bezug zum Linearwegsensor 301 genutzt, sodass ein entsprechend ermittelter Lenkeinschlag auch einem gewünschten Sicherheitslevel für ein mit dem Lenkeinschlag korreliertes Signal genügt.
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Dabei sind die Empfangsspule 331 und die Empfangsspule 335 entlang der Mittelachse 351 um einen Phasenversatz gegeneinander angeordnet, welcher einem Versatz von π/2 ihrer jeweiligen Periodenlänge entspricht. Die Empfangsspulen 333 und 337 sind um einen Phasenversatz gegeneinander angeordnet, welcher ebenfalls einem Betrag von π/2 der Periodenlänge entspricht. Jede Empfangsspule ist dabei gemäß eines Sinus-/Cosinusverlaufes ausgebildet, wodurch jeweils zwischen entsprechenden Empfangsspulensträngen eine Induktionsfläche aufgespannt wird. Ebenso weisen die übrigen Empfangsspulen entsprechende Empfangsspulenstränge auf, welche jeweils gemäß der Sinus-/Cosinusfunktion mäandernd um die Mittelachse 351 herum verlaufen.
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Gleitet nun das Messziel 302 entlang der Mittelachse 351 über den Grundkörper 315 des Linearwegsensors 301, so wird das Messziel 302 vom elektromagnetischen Feld der Sendespule 321 angeregt und verzerrt auf Grund der im Messziel 302 verorteten Induktionsvorgängen seinerseits elektromagnetische Felder in den Empfangsspulen, deren elektromagnetisches Verhalten damit verändert wird, indem die von der Sendespule induzierten Spannungen lokal reduziert werden. Eine dadurch verursachte Veränderung einer an den Empfangsspulen gemessenen elektrischen Spannungen kann dann zum Bestimmen der Position des Messzieles 302 in Relation zur jeweiligen Empfangsspule genutzt werden. Mit einem Auslesen und Verrechnen der Signale mehrerer Empfangsspulen kann auch eine absolute Position des Messzieles 302 gegenüber dem Grundkörper 315 des Linearwegsensors 301 ausgegeben werden. Weitere Empfangsspulen oder Empfangsspulensysteme dienen dann der Redundanz.
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Dabei interagiert die Anordnung aus Teilmessziel 303 und Teilmesszeil 305 auf einer jeweiligen Oberseite 205 und Unterseite 203 jeweils elektromagnetisch mit dem Linearwegsensor 301, wobei jedes Teilmessziel 303 und 305 jeweils eine elektromagnetische Reaktion hervorruft. Damit wird die erzielbare Signalamplitude gegenüber einem einzelnen, beispielsweise lediglich an der Oberseite 205 angeordneten Messziels, abzüglich einiger Dämpfungseffekte nahezu verdoppelt.
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Ein Diagramm 401 zeigt diesen Effekt deutlich. Das Diagramm weist eine Abszisse 403 und eine Ordinate 405 auf und stellt ein Signal 431 und ein Signal 441 dar. Die Abszisse zeigt einen Verfahrweg des Sensors (beispielhaft zwischen -40mm und +40mm), die Ordinate 405 stellt ein aus einer der Empfangsspulen ausgelesenes Spannungssignal zwischen -60mV und +60mV dar. Das Signal 431 entspricht hierbei dem Signal eines Linearwegsensors mit einem einzelnen Messziel in bekannten Linearwegsensoren, das Signal 441 dem Signal der erfindungsgemäßen Ausführung mit zwei Teilmesszielen 303 und 305.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Lenkgetriebe
- 103
- Antrieb
- 105
- Führungsrohr
- 107
- Lenkgestänge
- 109
- Anschlusskopf
- 111
- Linearbewegung
- 203
- Unterseite
- 205
- Oberseite
- 301
- Linearwegsensor
- 302
- Messziel
- 303
- Teilmessziel
- 305
- Teilmessziel
- 311
- Linearbewegung
- 315
- Grundkörper
- 317
- Rand
- 321
- Sendespule
- 331
- Empfangsspule
- 333
- Empfangsspule
- 335
- Empfangsspule
- 337
- Empfangsspule
- 342
- Induktionsfläche
- 351
- Mittelachse
- 352
- Bezugsachse
- 353
- Symmetrieachse
- 361
- Versatz
- 362
- Versatz
- 401
- Diagramm
- 403
- Abszisse
- 405
- Ordinate
- 431
- Signal
- 441
- Signal
