DE112008002563T5

DE112008002563T5 - Induktiver Stellungssensor

Info

Publication number: DE112008002563T5
Application number: DE112008002563T
Authority: DE
Inventors: Joong K. Chatham Lee
Original assignee: KSR Technologies Co
Current assignee: KSR IP Holdings LLC
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2028-09-20
Also published as: KR101521952B1; US7906960B2; KR20100083152A; JP2010540896A; US20090079422A1; JP5055647B2; WO2009037561A2; WO2009037561A3; DE112008002563B4; CN101868695B; BRPI0815935A2; CN101868695A

Abstract

Stellungssensor, enthaltend:
eine Senderspule, die einen äußeren Schleifenteil und einen inneren Schleifenteil aufweist, wobei die Senderspule elektromagnetische Strahlung erzeugt, wenn sie durch eine elektrische Energiequelle angeregt wird,
eine Empfängerspule, die im Nahbereich zu wenigstens einem der inneren und äußeren Senderspulenteile angeordnet ist, wobei die Empfängerspule wenigstens eine erste Schleife und eine entgegengesetzt gewundene zweite Schleife aufweist, wobei die Empfängerspule infolge induktiver Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wenn die Senderspule angeregt wird,
ein bewegliches Kopplungselement, das die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und den Schleifen der Empfängerspule als Funktion der Stellung des Kopplungselements verändert, um dadurch das elektrische Ausgangssignal aus der Empfängerspule zu ändern,
eine Referenzspule, die zwischen den inneren und äußeren Schleifenteilen der Senderspule angeordnet ist, wobei die Referenzspule infolge induktiver Kopplung zwischen der Senderspule und der Referenzspule ein elektrisches Referenzausgangssignal erzeugt, wenn die Senderspule angeregt wird, wobei die Kopplung...

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen

Diese Anmeldung nimmt die Priorität der am 21. September 2007 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/974,206 und der am 16. September 2008 eingereichten US-Patentanmeldung in Anspruch, die hierin durch Inbezugnahme aufgenommen sind.

Hintergrund der Erfindung
I. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Stellungssensoren und insbesondere auf induktive Stellungssensoren.
II. Beschreibung des Stands der Technik
In Kraftfahrzeugen ist das Gaspedal herkömmlicherweise durch ein Seil mechanisch mit der Motordrossel verbunden. Bei moderneren Fahrzeugen ist mit dem Pedal jedoch ein Gaspedalstellungssensor mechanisch verbunden und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das den Grad der Gaspedalbetätigung angibt. Solche Systeme werden häufig „Fly-by-wire”-Systeme genannt.
Bei einem Gaspedalstellungssensortyp wird eine Sender- oder Empfängerspule durch eine Hochfrequenzquelle so angeregt, dass die Senderspule eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Diese Senderspule ist außerdem in einem Kreismuster angeordnet, obgleich alternativ auch andere Musterkonfigurationen verwendet werden können.
Im Stellungssensor ist zudem im Nahbereich der Senderspule eine Empfängerspule angeordnet. Folglich erzeugt die Empfängerspule bei Anregung der Senderspule infolge induktiver Kopplung zwischen der Sender- und der Empfängerspule ein Ausgangssignal.
Anders als die Senderspule enthält die Empfängerspule jedoch eine erste Schleife und eine entgegengesetzt zur ersten Schleife gewickelte zweite Schleife. Folglich erzeugt die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der ersten Schleife der Empfängerspule eine Spannung, die in der Polarität der durch die Senderspule in der zweiten Schleife der Empfängerspule erzeugten Spannung entgegengesetzt ist. Deshalb ist das Empfängerausgabesignal eine Kombination oder eine Summe der Spannungssignale aus der ersten und zweiten Schleife der Empfängerspule.
Um ein für die Stellung des Gaspedals repräsentatives Ausgangssignal zu erzeugen, ist am Stellungssensor ein Kopplungselement drehbar befestigt und dreht sich synchron mit dem Betätigen und Lösen des Gaspedals. Dieses Kopplungselement ist darüber hinaus aus einem Material aufgebaut, das die von der Senderspule emittierte elektromagnetische Strahlung leitet. Dieses Kopplungselement ist einem Teilbereich sowohl der Sender- als auch der Empfängerspule überlagert. Folglich wird die induktive Kopplung zwischen der Sender- und der ersten und zweiten Schleife der Empfängerspule bei Bewegung oder Drehung des Kopplungselements verändert. Das erzeugt wiederum ein Ausgangssignal aus der Empfängerspule, das sich als Funktion der Winkelstellung des Kopplungselements und daher als Funktion der Winkelstellung des mechanisch mit dem Kopplungselement verbundenen Gaspedals verändert.
Wenn das Kopplungselement genau konzentrisch zur Sender- und Empfängerspule ist und wenn der Zwischenraum zwischen dem Kopplungselement und der Sender- und Empfängerspule während der gesamten Bewegung des Kopplungselements konstant bleibt, stellt die Ausgabe aus der Empfängerspule eine genaue Angabe für die Winkelstellung und somit für die Winkelstellung des Gaspedals bereit. In der Praxis führen Herstellungstoleranzen manchmal während der Herstellung des Gaspedalstellungssensors zu einem Gaspedalstellungssensor, bei dem das Kopplungselement nicht genau konzentrisch zur Sender- und Empfängerspule ist und/oder bei dem der Zwischenraum zwischen dem Kopplungselement und der Sender- und Empfängerspule etwas vom gewünschten Abstand abweicht.
Um fehlende Konzentrizität zwischen der Schwenkachse des Kopplungselements und der Achse der Sender- und Empfängerspule auszugleichen, sind verschiedene Strategien verfolgt worden. Diese Strategien sind allerdings nicht geeignet, Schwankungen im Abstand zwischen dem Kopplungselement und der Sender- und Empfängerspule so auszugleichen, dass die Genauigkeitsanforderungen für den Gaspedalstellungssensor erfüllt werden.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gaspedalstellungssensor bereit, der die oben erwähnten Nachteile des derzeit bekannten Gaspedalstellungssensors nicht aufweist.
Der Gaspedalstellungssensor der vorliegenden Erfindung enthält kurz gesagt eine Senderspule, die in einer Kreiskonfiguration gewickelt ist. Die Senderspule wird durch eine Hochfrequenz-Wechselstromquelle so angeregt, dass die Senderspule bei Anregung elektromagnetische Strahlung erzeugt.
Im Gaspedalstellungssensor ist ferner im Nahbereich zur Senderspule eine Empfängerspule vorgesehen. Die Empfängerspule enthält erste und zweite entgegengesetzt gewundene Schleifen, die elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind. Da jedoch die erste und zweite Schleife der Empfängerspule entgegengesetzt zueinander gewunden sind, wird die Polarität der bei Anregung durch die Senderspule in der ersten Schleife induzierten Spannung der Polarität der durch die Senderspule in der zweiten Empfängerschleife induzierten entgegengesetzt sein. Die Summe der Spannungen in den Empfängerspulen bilden das Ausgangssignal aus dem Gaspedalstellungssensor.
Ein Kopplungselement ist relativ zur Sender- und Empfängerspule beweglich befestigt. Dieses Kopplungselement verändert die induktive Kopplung durch die Senderspule und die erste und zweite Schleife der Empfängerspule als Funktion der Winkelstellung des Kopplungselements. Die Winkelstellung des Kopplungselements wiederum ändert sich als Funktion der Stellung des Gaspedals. Beispielsweise kann eine Drehbewegung des Kopplungselements in einer Richtung die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der ersten Schleife der Empfängerspule erhöhen und gleichzeitig die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und der zweiten Schleife der Empfängerspule verringern, wodurch das Ausgangssignal aus der Empfängerspule verändert wird. Drehung des Kopplungselements in entgegengesetzter Drehrichtung erzeugt die entgegengesetzten Wirkung.
Um Schwankungen der Lücke zwischen dem Kopplungselement und der Sender- und Empfängerspule auszugleichen, enthält die Senderspule sowohl einen äußeren Schleifenteil und ein inneren Schleifenteil, der radial innerhalb des äußeren Schleifenteils auf abstand angeordnet ist. Eine Axialmodulator- oder Referenzspule ist dann zwischen dem inneren und äußeren Teil der Senderspule gewunden, während die Empfängerspule über wenigstens einem Teil der äußeren Schleife der Senderspule liegt. In der Praxis gleicht die Bereitstellung der inneren Schleife der Senderspule Schwankungen der Lücke zwischen dem Kopplungselement und der Sender- und Empfängerspule durch Bereitstellung einer zusätzlichen induktiven Kopplung zwischen der Senderspule und der Referenzspule aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung ergeben, wenn sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, bei der sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen und bei der:
1 eine Draufsicht auf eine gedruckte Leiterplatte, die eine Senderspule enthält;
2 eine Draufsicht auf die gedruckte Leiterplatte mit der Senderspule, mit der Empfängerspule und mit der Referenzspule;
3 eine Explosionsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sensors der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine schematische Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Sensors der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine Draufsicht auf ein exemplarisches Kopplungselement ist.
Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
Zuerst Bezug auf 1 nehmend, ist ein Teil eines Gaspedalstellungssensors 10 gezeigt, wobei Teile des Gaspedalstellungssensors 10 der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind. Der Gaspedalstellungssensor 10 enthält eine gedruckte Leiterplatte 12, die typischerweise innerhalb eines Gehäuses 15 (4) untergebracht ist, um die gedruckte Leiterplatte 12 vor Fremdkörpern und/oder anderen Beschädigungen zu schützen.
Auf der gedruckten Leiterplatte 12 ist auf herkömmliche Weise eine Senderspule 14 ausgebildet. Diese Senderspule 14 enthält einen äußeren Schleifenteil 16 sowie einen inneren Schleifenteil 18. Sowohl der äußere Schleifenteil 16 als auch der innere Schleifenteil 18 der Senderspule sind in einer Kreiskonfiguration um eine Achse 22 gewunden und alle Windungen der Senderspule 14 sowohl im äußeren Schleifenteil 16 als auch im inneren Schleifenteil 18 sind in der gleichen Drehrichtung orientiert.
Weiterhin auf 1 Bezug nehmend, sind die Enden der Senderspule 14 mit einer Hochfrequenz-Wechselstromquelle 24 verbunden. Sobald die Wechselstromquelle 24 aktiviert oder angeregt wird, erzeugen sowohl die der äußere Schleifenteil 16 als auch der innere Schleifenteil 18 der Senderspule 14 in bekannter Weise elektromagnetische Strahlung.
Nun auf die 2 und 3 Bezug nehmend, ist auf der gedruckten Leiterplatte 12 unter Verwendung bekannter Techniken zur Herstellung gedruckter Leiterplatten zudem eine wenigstens zwei entgegengesetzt gewundenen Schleifen 32 und 34 aufweisende Empfängerspule 30 so ausgebildet, dass sich die Empfängerspule im Nahbereich zum äußeren Schleifenteil 16 der Senderspule 14 befindet. Darüber hinaus ist die Empfängerspule in den 2 und 3 so dargestellt, dass sie fünf im Uhrzeigersinn gewundene Abschnitte 32 und fünf entgegen dem Uhrzeigersinn gewundene Abschnitte 34 derart enthält, dass die Abschnitte 32 und 34 von gleichem Winkelmaß sind und sich um die Achse 22 auf der gedruckten Leiterplatte 12 einander abwechseln. Allerdings ist die in den 2 und 3 dargestellte Fünfpolkonfiguration lediglich beispielhaft und es sollte daraus keine unzulässige Einschränkung hergeleitet werden. Vielmehr ist es nur nötig, dass die Empfängerspule zwei entgegengesetzt gewundene Schleifen 32 und 34 aufweist.
Alle Schleifen 32 und 34 der Empfängerspule 30 sind miteinander in Reihe verbunden. Folglich ist eine Spannung am Ausgang 38 der Empfängerspule gleich der Summe der Spannungen aller Empfängerschleifen 32 und 34 der Empfängerspule 30. Die Empfängerausgänge 38 sind mit einer Schaltung 39, typischerweise einer ASIC, verbunden, die die Ausgabe aus der Empfängerspule 30 verarbeitet und linearisiert.
Weiterhin auf die 2 und 3 Bezug nehmend, ist auf der gedruckten Leiterplatte 12 unter Verwendung bekannter Techniken zur Herstellung gedruckter Leiterplatten ferner eine Referenz- oder Axialmodulatorspule 40 ausgebildet. Die Referenzspule 40 weist einen zwischen dem inneren und äußeren Teil 16 und 18 der Senderspule 14 angeordneten inneren Schleifenteil 41 und eine auf der gedruckten Leiterplatte 12 um den äußeren Umfang der Empfängerspule 30 angeordnete äußere und entgegengesetzt gewundene Schleife 43 auf. Beide Schleifen 41 und 43 der Empfängerspule 40 sind induktiv mit der Senderspule 14 gekoppelt, die in Bezug zueinander unterschiedlich oder entgegengesetzt gewunden sind. Demgemäß induziert bei Anregung der Senderspule 14 die Senderspule in beiden Schleifen 41 und 43 der Referenzspule 40 eine Spannung. Allerdings ist die Polarität der in der Spule 41 der Referenzspule 40 induzierten Spannung der Polarität der in der zweiten Schleife 43 der Referenzspule 40 induzierten Spannung entgegengesetzt.
Die Schleifen 41 und 43 der Referenzspule 40 sind elektrisch so in Reihe miteinander verbunden, dass die Ausgaben aus der Referenzspule 40 die Summe oder Differenz der Spannungen an den Schleifen 41 und 43 der Referenzspule 40 enthalten. Elektrische Ausgänge 46 aus der Referenzspule 40 sind ferner mit der Schaltung 39 verbunden.
Nun auf die 4 und 5 Bezug nehmend ist ein Kopplungselement 50 innerhalb des Gehäuses 15 so angeordnet, dass das Kopplungselement 50 der gedruckten Leiterplatte 12 aufliegt aber von der gedruckten Leiterplatte 12 mit einer Lücke x auf Abstand angeordnet ist. Dieses Kopplungselement 50 ist darüber hinaus durch eine Welle 52, die koaxial zur Achse 22 (1) der Senderspule 14 ist, drehbar am Gehäuse befestigt.
Das in den 4 und 5 dargestellte Kopplungselement 50 ist so gezeigt, dass es fünf Flügel 54 aufweist, die in Größe und Form den Schleifen 32 und 34 der Empfängerspule 30 entsprechen. Es versteht sich wiederum von selbst, dass das in 5 dargestellte Kopplungselement 50 lediglich beispielhaft für einen Fünfpolsensor ist. Der Stellungssensor kann weniger oder mehrere aufweisen, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen.
Das Kopplungselement 50 ist aus einem Material aufgebaut, das für die von der Senderspule 14 bei Anregung durch die Hochfrequenz-Stromquelle 24 (1) erzeugte elektromagnetische Strahlung leitfähig ist. Demgemäß verändern das Kopplungselement 50 und insbesondere die Flügel 54 des Kopplungselements die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und den Schleifen 32 und 34 der unter dem Koppler liegenden Empfängerspule 30.
Folglich wird die Drehung des Kopplungselements 50 in einer Drehrichtung die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 14 und der ersten Schleife 32 der Empfängerspule 30 erhöhen, während sie gleichzeitig die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 14 und der zweiten Schleife 34 der Empfängerspule 30 vermindert. Die Drehung des Kopplungselements 50 in entgegengesetzter Richtung wird zur entgegengesetzten Wirkung führen.
In beiden Fällen wird sich gleicherweise die Ausgangsspannung an den Empfängerspulenausgängen 38 durch die induktive Kopplung zwischen den entgegengesetzt gewundenen Spulen 32 und 34 und der Empfängerspule 30 als Funktion der Drehstellung des Kopplungselements 50 derart verändern, dass ein Signal erzeugt wird, das die Drehstellung des Kopplungselements 50 angibt und von der Schaltung 39 verarbeitet wird, um das Ausgangssignal zu linearisieren und anderweitig zu verarbeiten.
Obgleich sich die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 14 und den Schleifen 32 und 34 der Empfängerspule 30 als Funktion der Drehstellung des Kopplungselements 50 ändert, ist die induktive Kopplung zwischen der Senderspule 14 und den Schleifen 41 und 43 der Referenzspule 40 unabhängig ändert sich nicht als Funktion der Drehstellung des Kopplungselements 50. Die induktive Kopplung zwischen den entgegengesetzt gewundenen Schleifen 41 und 43 der Referenzspule 40 verändert sich jedoch als Funktion der Lücke x zwischen dem Kopplungselement 50 und der Referenzspule 40.
Es wurde festgestellt, dass die vom inneren Teil 18 der Senderspule 14 bereitgestellte zusätzliche induktive Kopplung mit der Referenzspule 40 die radiometrische Funktion R(x) trotz angemessen kleiner Schwankungen des Zwischenraums x im Wesentlichen konstant hält, wobei R(x) wie folgt definiert ist: R(x) = RM(x)/AM(x)wobei RM gleich den Ausgaben aus der Empfängerspule 30 ist und AM gleich der Spannung an den Ausgängen der Referenzspule 40 ist und x gleich der Größe der Lücke zwischen dem Kopplungselement 50 und der gedruckten Leiterplatte 12 ist.
In der Praxis bleibt die Funktion R trotz mäßiger Schwankungen der Lücke x zwischen dem Kopplungselement 50 und der Sender- bzw. Empfängerspule 30 auf der gedruckten Leiterplatte 12 im Wesentlichen konstant bleibt. Dies verbessert wiederum die Gesamtgenauigkeit des Gaspedalstellungssensors 10.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen einfachen und doch hochwirksamen Stellungssensor bereitstellt, wie etwa einen Gaspedalstellungssensor, obgleich der Sensor bei anderen Anwendungen verwendet werden kann. Da nun die Erfindung beschrieben wurde, werden dem Fachmann viele Modifikationen dazu offenkundig sein, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, wie er durch den Umfang der beigefügten Ansprüche definiert wird.
Zusammenfassung:
Ein Stellungssensor weist eine Senderspule mit einem äußeren Schleifenteil und einem inneren Schleifenteil auf. Eine Empfängerspule ist im Nahbereich zur Senderspule angeordnet und die Empfängerspule enthält eine erste Schleife und eine entgegengesetzt gewundene zweite Schleife. Die Empfängerspule erzeugt infolge induktiver Kopplung zwischen der Sender- und Empfängerspule ein elektrisches Ausgangssignal, wenn die Senderspule angeregt wird. Ein bewegliches Kopplungselement verändert die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und den Schleifen der Empfängerspule als Funktion der Stellung des Kopplungselements.

Claims

Stellungssensor, enthaltend: eine Senderspule, die einen äußeren Schleifenteil und einen inneren Schleifenteil aufweist, wobei die Senderspule elektromagnetische Strahlung erzeugt, wenn sie durch eine elektrische Energiequelle angeregt wird, eine Empfängerspule, die im Nahbereich zu wenigstens einem der inneren und äußeren Senderspulenteile angeordnet ist, wobei die Empfängerspule wenigstens eine erste Schleife und eine entgegengesetzt gewundene zweite Schleife aufweist, wobei die Empfängerspule infolge induktiver Kopplung zwischen der Senderspule und der Empfängerspule ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wenn die Senderspule angeregt wird, ein bewegliches Kopplungselement, das die induktive Kopplung zwischen der Senderspule und den Schleifen der Empfängerspule als Funktion der Stellung des Kopplungselements verändert, um dadurch das elektrische Ausgangssignal aus der Empfängerspule zu ändern, eine Referenzspule, die zwischen den inneren und äußeren Schleifenteilen der Senderspule angeordnet ist, wobei die Referenzspule infolge induktiver Kopplung zwischen der Senderspule und der Referenzspule ein elektrisches Referenzausgangssignal erzeugt, wenn die Senderspule angeregt wird, wobei die Kopplung von der Stellung des Kopplungselements unabhängig ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Senderspule auf einer gedruckten Leiterplatte ausgebildet ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der der innere und äußere Schleifenteil der Senderspule in konzentrischen Kreismustern gewunden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Empfängerspule auf einer gedruckten Leiterplatte ausgebildet ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Referenzspule auf einer gedruckten Leiterplatte ausgebildet ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der das Kopplungselement metallisch ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Empfängerspule über dem äußeren Schleifenteil der Senderspule liegt.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der das Kopplungselement relativ zur Senderspule um eine Achse drehbar ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Empfängerspule in abwechselnden Abschnitten der ersten Schleife und der zweiten Schleife der Empfängerspule angeordnet ist.
Erfindung nach Anspruch 10, bei der die abwechselnden Abschnitte der Empfängerspule in einem kreisförmigen Muster um eine vorgegebene Achse angeordnet sind.
Erfindung nach Anspruch 10, bei der das Kopplungselement um die vorgegebene Achse drehbar ist.
Erfindung nach Anspruch 1, bei der die Senderspule, die Empfängerspule und die Referenzspule alle auf der gedruckten Leiterplatte ausgebildet sind.