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Die
Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehsensor mit einem Drehelement
und mit einem diesem zugeordneten Ruheelement, wobei das Drehelement und
das Ruheelement miteinander eine Kapazität ausbilden, und wobei das
Drehelement zu einer Veränderung
der Kapazität
bei einer Drehung um seine Drehachse ausgebildet ist. Die Erfindung
betrifft weiter eine Auswerteschaltung für einen derartigen Drehsensor
zur Generierung eines die Drehzahl charakterisierenden Messsignals.
Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftfahrzeug-Verstelleinheit
mit einem Stellorgan, das gegen einen Anschlag beweglich ist, zur
Detektion eines Einklemmfalls.
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Ein
kapazitiver Drehsensor der eingangs genannten Art wird eingesetzt,
um die Drehzahl oder ein Winkelinkrement einer sich drehenden Antriebsachse
oder allgemein einer Drehachse zu messen. Hierzu weist der kapazitive
Drehsensor ein Drehelement auf, welches mit der zu messenden Dreh-
bzw. Antriebsachse rotiert, und welches mit einem zugeordneten Ruheelement
eine Kapazität
bildet. Zur Umsetzung einer Drehbewegung in ein Messsignal ist das
Drehelement zu einer Veränderung
der Kapazität
bei einer Drehung um seine Drehachse ausgebildet.
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Hierbei
wird der Effekt ausgenutzt, dass die Kapazität eines Kondensators maßgeblich
vom Abstand der Kondensatorplatten zueinander abhängig ist.
Ganz allgemein wird die Kapazität
eines Plattenkondensators um so größer, je kleiner der Abstand der
Kondensatorplatten ist. Entsprechend kann eine sich mit der Drehbewegung
verändernde
Kapazität beispielsweise
durch eine in Umfangsrichtung des Drehelementes unterbrochene Form,
eine exzentrische Anordnung oder durch entsprechend ausgebildete
Vorsprünge
bzw. Vertiefungen hervorgerufen werden. Bei derartigen Formgebungen
resultiert aus einer Drehung des Drehele ments ein sich ändernder Abstand
zwischen dem Drehelement und dem Ruheelement bzw. zwischen deren
Oberflächen.
Hierdurch ändert
sich die Kapazität
zwischen Drehelement und Ruheelement, so dass aus dem Kapazitätssignal
auf die Art der Drehbewegung geschlossen werden kann. Insbesondere
kann aus der Frequenz der Kapazitätsänderung auf die Drehzahl geschlossen
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen kapazitiven Drehsensor der eingangs
genannten Art anzugeben, welcher möglichst preisgünstig und
zuverlässig ist.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, hierzu eine geeignete Auswerteschaltung
zur Generierung eines Messsignals anzugeben. Ferner ist es Aufgabe
der Erfindung, eine Kraftfahrzeug-Verstelleinheit anzugeben, mit
der möglichst
zuverlässig
ein Einklemmfall im Stellweg eines angetriebenen Stellorgans detektiert
werden kann.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird für
einen kapazitiven Drehsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Drehelement entlang der Drehachse wenigstens zwei jeweils mit
dem Ruhelement eine Kapazität
ausbildende Geberabschnitte aufweist.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass die von dem Ruhelement und dem Drehelement gebildete Kapazität aufgrund
des kleinen Abstandes relativ störanfällig ist.
So können
Fertigungs- oder Einbautoleranzen des Antriebs die Kapazität signifikant
beeinflussen, da es hierdurch zu Abstandsschwankungen zwischen dem
Drehelement und dem Ruheelement kommt. Weiter können während des Betriebs Abstandsschwankungen
aus unterschiedlichen Lastzuständen
oder Schwingungen des Antriebes resultieren. Auch können äußere Störgrößen, wie
elektromagnetische Felder, die insbesondere in der Umgebung eines
elektrischen Antriebsmotors vorliegen, variierende dielektrische
Eigenschaften der Luft oder Temperatureffekte zu einer unerwünschten
Beeinflussung der Kapazität
führen.
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Die
Erfindung geht weiter von der Überlegung
aus, dass die unerwünschten
Kapazitätsänderungen,
die durch Störungen
verursacht werden und nicht aus der Drehbewegung des Drehelementes
resultieren, im Wesentlichen durch Variationen der Umgebungsparameter
bedingt sind, die innerhalb gewisser Grenzen ortsunabhängig sind.
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Diese
Erkenntnis wird in der Erfindung ausgenutzt, indem das Drehelement
entlang der Drehachse wenigstens zwei jeweils mit dem Ruheelement eine
Kapazität
ausbildende Geberabschnitte aufweist. Somit bilden zwei räumlich benachbarte
Geberabschnitte mit dem Ruhelement eine Kapazität aus. Folglich führt eine
am Ort des Drehsensors im Wesentlichen ortsunabhängige Variation einer die Kapazität beeinflussenden
Störgröße zu dem
gleichen Effekt in beiden Geberabschnitten. Durch Betrachtung des
Kapazitätsverlaufs
eines derartigen Drehsensors kann somit eine auf derartigen Störgrößen beruhende
Kapazitätsänderung
eliminiert werden. Beispielsweise lässt sich eine additiv auftretende
Kapazitätsstörung durch
Differenzbildung der Kapazitätssignale beider
Geberabschnitte herausrechnen.
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Mit
anderen Worten wird das Messsignal aus einer relativen Kapazitätsmessung
abgeleitet. Dabei kann die relative Kapazitätsmessung über einen Vergleich der Amplituden,
der Phasen oder der Frequenzen erfolgen. Entsprechend können die
Geberabschnitte unterschiedlich ausgebildet sein.
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Für die Erfindung
ist es nicht erforderlich, dass beide Geberabschnitte zu einer Veränderung der
Kapazität
bei einer Drehung um die Drehachse ausgebildet sind. Denn auch ein
Geberabschnitt, dessen Kapazität
mit dem Ruheelement unabhängig von
einer Drehung konstant bleibt, zeigt die durch äußere Störungen verursachten Kapazitätsänderungen,
die zu eliminieren sind. Auch ist es nicht erforderlich, dass die
Kapazität
der Geberabschnitte getrennt mittels zweier den Geberabschnitten
zugeordneter Detektionsabschnitte gemessen wird. Denn ebensogut
ist es vorstellbar, durch entsprechende Taktung in der Beschaltung
der Geberabschnitte die zu einem gemeinsamen Detektionsabschnitt
des Ruheelements gebildeten Kapazitäten zeitlich nacheinander abzufragen.
Wird die Taktfrequenz entsprechend hoch gewählt, so lassen sich hierdurch
Störeffekte
mit geringerer Frequenz sicher erkennen und eliminieren.
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Die
Erfindung ist auch nicht eingeschränkt auf zwei Geberabschnitte.
Es ist genauso vorstellbar, eine Reihe von Geberabschnitten entlang
der Drehachse vorzusehen, um beispielsweise durch entsprechende
Beschaltung die zu messende Kapazität insgesamt zu vergrößern.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
weist das Ruheelement wenigstens zwei, den Geberabschnitten zugeordnete
Detektionsabschnitte auf. Diese Variante bietet den Vorteil, dass
von Anbeginn an ohne großen
schaltungstechnischen Mehraufwand zwei Kapazitätssignale zur Verfügung stehen.
Die Kapazitäten
können
hierzu in einfacher Art und Weise beispielsweise mittels einer Wechselspannungsbeaufschlagung
und mittels eines Spannungsteilers als Spannungssignale abgegriffen
werden. Alternativ können
zur Messung auch die Ent- oder Beladeströme der Kapazitäten erfasst
werden. Es ist zweckmäßig, das
Drehelement auf Erdpotenzial zu legen, da das Drehelement in der
Regel auf einer Antriebsachse eines elektrischen Antriebs angeordnet
ist, dessen äußere Teile
aus sicherheitstechnischen Aspekten geerdet sind.
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An
die Form des Ruheelements oder der Detektionsabschnitte ist grundsätzlich keine
hohe Anforderung zu stellen, da das Ruheelement räumlich fixiert
ist. Folglich beeinflusst die Form an sich nicht den zeitlichen
Verlauf der zu messenden Kapazität. Jedoch
beeinflusst die Form die Größe der Kapazität als solche.
Für eine
möglichst
hohe Kapazität
ist es nun vorteilhaft, die Detektionsabschnitte flächig auszubilden,
da die Kapazität
proportional mit der Fläche der
Kondensatorplatten steigt. Insofern bietet es sich an, die Detektionsabschnitte
als flächige
Elektroden auszubilden, die beispielsweise auf einer Platine in bekannter
Art und Weise aufgebracht sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist wenigstens ein
Geberabschnitt entlang des Umfangs Mantelfächenabschnitte mit unterschiedlichem
Abstand zur Drehachse auf. Auf diese Art und Weise resultiert eine
sich mit der Drehung des Drehelements periodisch verändernde
Kapazität,
wobei die Frequenz der Kapazitätsveränderung
proportional zur Drehzahl ist. Gegenüber einer alternativen Ausgestaltung
des Geberabschnitts, wie beispielsweise einer exzentrischen Anordnung,
bietet sich diese Ausgestaltung aufgrund ihrer leichten mechanischen
Verwirklichung an. Insbesondere bietet diese Ausgestaltung aber
den Vorteil, dass auf bereits vorhandene, diese Ausgestaltung aufweisende
Elemente einer Antriebsachse zurückgegriffen
werden kann. So kann beispielsweise eine Kurbelwelle oder eine Klauenkupplung
derartige Mantelflächenabschnitte mit
unterschiedlichem Abstand zur Drehachse aufweisen und insofern als
ein Drehelement des Drehsensors eingesetzt werden. Insofern kann
das Drehelement als solches als ein Achsaufsatz ausgebildet sein,
der beispielsweise einer Antriebsachse aufgesetzt wird, oder aber
es wird hierzu ein bereits vorhandener Teil der Antriebsachse selbst
verwendet.
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Im
Sinne der vorliegenden Anmeldung wird auch ein Drehelement, welches
durch Materialabtragung auf einige wenige, parallel zur Drehachse
ausgerichtete Stege reduziert ist, als ein Drehelement verstanden,
welches entlang des Umfangs Mantelflächenabschnitte mit unterschiedlichem
Abstand zur Drehachse aufweist. Bei einer Rotation eines derartigen
Drehelementes wechseln sich die Stege mit einem definierten Abstand
zu dem Ruheelement mit materialfreien Bereichen ab. Liegen sich
ein materialfreier Bereich und ein Detektionsabschnitt des Ruheelements
gegenüber,
so resultiert die Kapazität
aus den Abständen,
die die weiter entfernt bzw. weggedrehten Stege in Summe zu dem
Detektionsabschnitt aufweisen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird
ein materialfreier Bereich als ein Mantelflächenabschnitt aufgefasst, dessen
Abstand zur Drehachse gleich null ist.
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Zweckmäßigerweise
sind die Mantelflächenabschnitte
mittels Vorsprüngen
und/oder Vertiefungen ausgebildet. Diese können einem metallischen Drehelement
beispielsweise durch spanende oder spanlose Bearbeitung nachträglich eingebracht
sein. Es ist aber auch vorstellbar, das Drehelement im Ganzen durch
ein Gussverfahren oder durch ein Pressverfahren herzustellen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vorsprünge und/oder
Vertiefungen durch zur Drehachse parallel verlaufende Stege bzw.
Einkerbungen gebildet. Wie bereits erwähnt kann das Drehelement bzw.
der jeweilige Geberabschnitt durch entsprechende Materialabtragung
bis auf die Stege reduziert sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vorsprünge oder
Vertiefungen durch eine umlaufende erhabene oder eingesenkte Schraubenlinie
gebildet. Hierbei kann beispielsweise der Weg, der durch eine Umdrehung
der Schraubenlinie zurückgelegt
wird, als die Länge
eines Geberabschnitts aufgefasst werden. Jeder Geberabschnitt weist
demzufolge in Umfangsrichtung Mantelflächen mit unterschiedlichem
Abstand zur Drehachse auf. Die Schraubenlinie als solche zeigt einen
anderen Abstand zur Drehachse als die restliche Mantelfläche.
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Zur
Detektion der Kapazität
bietet es sich an, die Detektionsabschnitte des Ruhelements in Gestalt von
zwei ineinander gesteckten Kämmen
auszubilden, wobei der Abstand der beiden Kämme zueinander der halben Steigung
der Schraubenlinie entspricht. Auf diese Weise sieht ein kammartiger
Detektionsabschnitt jeweils die Schraubenlinie, während der
jeweils andere Detektionsabschnitt die Zwischenräume zwischen den Schraubenlinien
erfasst. Bei einer Drehung des Drehelements wandert die Schraubenlinie
vom Ruhelement aus betrachtet entlang der Drehachse. Folglich resultiert
ein periodischer Verlauf der mit beiden Detektionsabschnitten detektierten
Kapazitäten,
die gegeneinander phasenverschoben sind. Durch die Anzahl der erfassten Windungen
der Schraubenlinie kann die Größe der Kapazität eingestellt
werden. Es bietet sich an, zur Erfassung der Kapazitäten eine
Wechselspannungsbeschaltung zu verwenden, wobei die Frequenz der Wechselspannung
so gewählt
ist, dass der Betrag des Wechselstromwiderstands der Kapazität in der Größenordnung
eines Vorwiderstands liegt, um eine möglichst große Spannungsänderung
zu erreichen.
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In
einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
des Drehsensors sind die wenigstens zwei Geberabschnitte zu einer
Veränderung
der Kapazität
bei Drehung ausgebildet. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, den
Drehsinn zu erkennen. Dies gelingt insbesondere dann, wenn zwei
Geberabschnitte entlang des Umfangs Mantelflächenabschnitte unterschiedlichen
Abstandes zur Drehachse aufweisen, wobei die Mantelflächenabschnitte
der beiden Geberabschnitte zueinander in Umfangsrichtung versetzt
angeordnet sind. Hierdurch resultiert eine Phasenverschiebung der
Kapazitätssignale
beider Geberabschnitte zueinander, wobei bei Wechsel der Drehrichtung
die Phasendifferenz ihr Vorzeichen umdreht. Zwar ist es zur Erfassung
der Drehrichtung auch vorstellbar, entlang der Umfangsrichtung Mantelflächenabschnitte
mit unterschiedlichem Abstand zur Drehachse und zueinander auszubilden,
so dass aus der Abfolge von Kapazitätsspitzen auf die Drehrichtung
geschlossen werden kann. Diese Ausgestaltung versagt jedoch bei
kleinen Drehzahlen oder kleinen Drehwinkeln.
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Um
den Drehsensor gegen äußere elektromagnetische
Felder abzuschirmen, ist vorteilhafterweise an den Detektionsabschnitten
eine Driven-Shield-Abschirmung angeordnet. Durch entsprechenden
Treiber wird hierbei sichergestellt, dass die Driven-Shield-Abschirmung
sich stets auf gleichem Potenzial befindet wie die Detektionsabschnitte.
Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass keine Verfälschung
der zu messenden Kapazitäten
durch parasitäre
Kapazitäten
auftreten. Letzteres wäre
insbesondere dann der Fall, wenn eine auf Erdpotenzial gelegte Abschirmung
verwendet werden würde.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Auswerteschaltung
für einen
vorbeschriebenen Drehsensor, die dafür ausgebildet ist, die Kapazitäten zwischen
Ruhe- und Drehelement zu erfassen und Unterschiede zwischen den einzelnen,
den Geberabschnitten zugeordneten Kapazitäten zur Generierung eines die
Drehzahl charakterisierenden Messsignals auszuwerten. Mit entsprechend
ausgelegter Schaltungstechnologie wertet die Auswerteschaltung zur
Kompensation der durch äußere Störungen verursachten
Kapazitätsänderungen
Unterschiede zwischen den einzelnen Kapazitäten aus und generiert ein zuverlässiges Messsignal,
welches die Drehzahl charakterisiert. Mit anderen Worten werden
gleiche Kapazitätsänderungen in
beiden Geberabschnitten als Störungen
in terpretiert, wohingegen aus dem unterschiedlichen Aufbau oder
Abgriff der wenigstens zwei Geberabschnitte resultierende Änderungen
zur Generierung des Messsignals herangezogen werden. Dabei ist es
unerheblich, ob die Änderungen
der Kapazitäten
durch Beobachtung der Amplituden, der Frequenz oder der Phase ermittelt
werden.
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In
einer vorteilhaften, weil günstigen
Ausgestaltung weist die Auswerteschaltung jeweils einen Spannungsteiler
zur Erfassung der den Geberabschnitten zugeordneten Kapazitäten als
Spannungssignale, einen Tief- oder Bandpass zur Peakerkennung der
Spannungssignale und einen Differenzverstärker zur Generierung des Messsignals
aus einer Differenz der den mindestens zwei Geberabschnitten zugeordneten
Spannungssignale auf. Hierbei werden die unterschiedlichen Kapazitätsverläufe der
wenigstens zwei Geberabschnitte durch Differenzbildung von Störungen befreit.
Die Schaltung ist mit preisgünstigen
Mitteln zu verwirklichen. Insbesondere kann die Auswerteschaltung
in einen ASIC integriert werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Auswerteschaltung mit einer Frequenzerfassungseinrichtung
ausgestattet, die ausgehend vom Messsignal ein zur Drehzahl proportionales
Ausgangssignal generiert.
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Alternativ
ist es möglich,
die Geberabschnitte derart zu gestalten, dass die bei Drehung resultierenden
Kapazitäten
zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen. Zur Erzeugung des
Messsignals werden dann gleichphasig auftretende Kapazitätsänderungen
kompensiert. Diese Variante hat den weiteren Vorteil, dass mit der
Phasenerkennungseinrichtung zur Erfassung einer Phasendifferenz
zwischen den den unterschiedlichen Geberabschnitten zugeordneten
Kapazitäten
auch die Drehrichtung erfasst werden kann.
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Selbstverständlich ist
es auch vorstellbar, eine mit einem Differenzverstärker ausgestattete Auswerteschaltung
zusätzlich
mit einer Phasenerkennungseinrichtung zu versehen, und für den Drehsensor
insgesamt drei Geberabschnitte mit zugeordneten Detektionsabschnitten
vorzusehen. Aus den Kapazitäten
zweier Geber abschnitte wird dann das Messsignal generiert, während der
dritte Geberabschnitt durch entsprechende Ausgestaltung ein phasenverschobenes
Kapazitätssignal
liefert. Dieses kann zur Bestimmung der Drehrichtung eingesetzt werden.
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Der
vorbeschriebene Drehsensor und die vorbeschriebene Auswerteschaltung
können
sowohl separat als getrennte Einheiten als auch als Sensorsystem
vorliegen. Für
das Sensorsystem ist es dabei insbesondere vorstellbar, den Drehsensor
und die Auswerteschaltung zu einer physikalischen Einheit zu kombinieren.
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Die
letztgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftfahrzeug-Verstelleinheit mit
einem Stellorgan, das gegen einen Anschlag beweglich ist, mit einem
Antrieb zum Verfahren des Stellorgans, mit einer Steuereinheit zum
Steuern des Antriebs und mit einer mit der Steuereinheit verbundenen,
am Antrieb angeordneten Drehsensor wie vorbeschrieben zur Detektion
eines Einklemmfalles, wobei die Steuereinheit dafür ausgebildet
ist, mittels des Drehsensors bei Antrieb des Stellorgans eine Drehbewegung
des Antriebs zu ermitteln und ausgehend vom Verlauf der Drehbewegung
einen Einklemmfall zu detektieren und bei Detektion eines Einklemmfalles
den Antrieb zu stoppen und/oder reversierend anzutreiben.
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Dabei
kann der Drehzahlsensor insbesondere zur Messung des Verstellweges
des Stellorgans eingesetzt werden. Hierzu werden beispielsweise
die Umdrehungen der Motorachse des Antriebs gezählt und hieraus auf die Position
des Stellorgans innerhalb des Stellweges geschlossen. Durch Vergleich der
erfassten Drehzahl entlang des Verstellweges mit abgespeicherten
Drehzahlwerten kann auf einen Einklemmfall geschlossen werden. Auch
kann aus weiteren Motorparametern ein Drehmoment entlang des Stellweges
abgeleitet werden und dieses zur Detektion eines Einklemmfalles
herangezogen werden.
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Durch
Einsatz des kostengünstigen
und zuverlässigen
Drehsensors gelingt es, einen Einklemmfall zuverlässig zu
detektieren. Läuft
das Stellorgan in seinem Stellweg auf ein Hindernis auf, so resultiert hieraus
aufgrund des erhöhten
not wendigen Drehmoments ein Abfall der Drehzahl des Antriebes. Wird eine
derartige Änderung
der Drehzahl sicher und zuverlässig
detektiert, so kann ein Einklemmfall rasch festgestellt und entsprechende
Gegenmaßnahmen eingeleitet
werden. Der vorbeschriebene Drehsensor bietet sich hierbei insbesondere
als Ersatz für
einen in der Kfz-Technik üblicherweise
eingesetzten Hall-Sensor an. Auf den relativ teuren Ringmagneten mit
in Umfangsrichtung unterschiedlicher Polung, der für einen
Hall-Sensor zur Detektion einer Drehzahl der Antriebsachse zuzuordnen
ist, kann verzichtet werden. Auch die Auswerteschaltung für den vorbeschriebenen
Drehsensor lässt
sich kostengünstig durch
einen ASIC realisieren.
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Als
Stellorgan im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird beispielsweise
eine Seitenscheibe oder ein Schiebedach verstanden. Ebenso stellen aber
auch eine elektrisch angetriebene Schiebetür, eine selbsttätig öffnende
oder schließende
Heckklappe oder ein elektrisch betätigbarer Kraftfahrzeugsitz ein
derartiges Stellorgan dar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch
einen Drehsensor, dessen Drehelement zwei Geberabschnitte unterschiedlicher
Ausgestaltung aufweist,
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1A ebenfalls
schematisch den Drehsensor gemäß 1,
dessen Drehelement einen weiteren Geberabschnitt aufweist,
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2 schematisch
einen weiteren Drehsensor, dessen Drehelement mittels einer Schraubenlinie
ausgebildete Geberabschnitte aufweist,
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3 eine
erste Auswerteschaltung,
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4 eine
zweite Auswerteschaltung und
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5 schematisch
eine Kraftfahrzeug-Verstelleinheit mit einem Schiebedach als Stellorgan.
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In 1 ist
schematisch ein Drehsensor 1 dargestellt, der ein metallisches
Drehelement 2 und ein Ruheelement 4 umfasst. Das
Drehelement 2 ist als ein Achs aufsatz ausgebildet und auf
einer Drehachse 5 eines elektrischen Antriebs 7 montiert.
Das Drehelement 2 weist weiter, entlang der Drehachse angeordnet,
einen ersten Geberabschnitt 9 und einen zweiten Geberabschnitt 10 auf,
denen ein erster Detektionsabschnitt 14 und ein zweiter
Detektionsabschnitt 15 des Ruheelements 4 zugeordnet
sind.
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Der
erste Geberabschnitt 9 ist als ein bezüglich der Drehachse 5 rotationssymmetrischer
Zylinder mit einer Mantelfläche 17 ausgebildet.
Der zweite Geberabschnitt 10 ist durch zwei entlang der
Umfangsrichtung um 180° gegeneinander
versetzte Stege 19 ausgebildet, die parallel zur Drehachse 5 verlaufen.
Zwischen den Stegen 19 erstreckt sich ein materialfreier
Bereich des zweiten Geberabschnitts 10. Insofern weist
der zweite Geberabschnitt 10 Mantelflächenabschnitte 21,
die einen definierten Abstand zur Drehachse haben, und einen dazwischen liegenden
materialfreien Bereich mit einem Mantelflächenabschnitt auf, der einen
Abstand von Null zur Drehachse 5 besitzt.
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Der
erste und der zweite Detektionsabschnitt 14 bzw. 15 des
Ruheelements 4 sind als flächige Elektroden ausgebildet.
Beide Detektionsabschnitte 14 und 15 sind auf
einer Elektronikplatine angeordnet und mit einer Auswerteschaltung 23 in
Form eines ASIC's
verbunden. Die Auswerteschaltung 23 generiert durch Differenzbildung
der erfassten Kapazitäten
der beiden Geberabschnitte 9 und 10 ein von Störungen befreites
Messsignal, aus welchem die Drehzahl der Drehachse 5 des
Antriebs 7 abgeleitet werden kann. Hierbei bleibt die durch
den ersten Geberabschnitt 9 und ersten Detektionsabschnitt 14 gebildete
Kapazität
bei einer Drehung der Drehachse 5 mit Ausnahme von äußeren Störungen konstant.
Die Kapazität,
die durch den zweiten Geberabschnitt 10 und den zweiten
Detektionsabschnitt 15 ausgebildet ist, ändert sich
durch die umlaufenden Stege 19 bei einer Drehung der Drehachse 5 periodisch.
Dabei zeigt der Kapazitätsverlauf
infolge der zwei Stege 19 bei einer Umdrehung der Drehachse 5 zwei
Spitzenwerte.
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Zur
Erfassung der Kapazitäten
wird die Drehachse 5 und damit auch das Drehelement 2 auf
Erdpotenzial gelegt, gegenüber
welchem die Detektionsabschnitte 14 und 15 mit
einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Mittels eines Spannungsteilers werden
die den Geberabschnitten 9 und 10 zugeordneten
Kapazitäten
als Spannungssignale abgegriffen und in der Auswerteschaltung 23 durch
Differenzbildung zu dem Messwert verarbeitet. Durch die Differenzbildung
werden durch Störungen
in beiden Kapazitäten
gleichermaßen
hervorgerufene Änderungen
wirkungsvoll kompensiert.
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In 1A ist
der Drehsensor 1 gemäß 1 in
einer leicht modifizierten Ausgestaltung gezeigt. Gegenüber 1 weist
das Drehelement 2 einen dritten Geberabschnitt 25 auf,
dem auf dem Ruheelement 4 ein dritter Detektionsabschnitt 27 zugeordnet ist.
Auch der dritte Detektionsabschnitt 27 ist hierbei als
eine flächige
Elektrode ausgebildet.
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Der
dritte Geberabschnitt 25 ist gleich dem zweiten Geberabschnitt 10 ausgebildet.
Dabei sind jedoch die Stege 30 des dritten Geberabschnitts 25 gegenüber den
Stegen 19 des zweiten Geberabschnitts 10 in Umfangsrichtung
versetzt. Insofern resultieren bei einer Drehung des Drehelements 2 Kapazitätsverläufe des
dritten und des zweiten Geberabschnitts 30 bzw. 10, die
zueinander phasenversetzt sind. Durch Bestimmung der Phase kann
auf die Drehrichtung geschlossen werden. Hierfür ist eine geeignete Modifikation
in der Auswerteschaltung 23 vorzusehen.
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In 2 ist
schematisch ein alternativer Drehsensor 32 gezeigt. Der
Drehsensor 32 umfasst ein Drehelement 2 und ein
symbolisch dargestelltes Ruheelement 4. Das Drehelement 2 ist
Teil einer Antriebsachse eines elektrischen Antriebs 7.
Insbesondere stellt das Drehelement 2 einen Teil eines
Schneckengetriebes dar, wie es zur Umsetzung der Rotation des elektrischen
Antriebs 7 in eine Drehbewegung mit einer anderen Drehachse
benötigt
wird. Als Teil eines Schneckengetriebes weist das Drehelement 2 eine
die Achse umlaufende Schraubenlinie 34 auf, so dass sich
entlang der Drehachse 5 abwechselnd Vertiefungen 35 und
Vorsprünge 36 ergeben.
Die Schraubenlinie 34 gleichzeitig ein Außengewinde des
Schneckengetriebes.
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Das
Detektionselement 38 des Ruheelements 4 umfasst
zwei mittels Leiterbahnen ausgebildete und ineinander gesteckte
Kämme 40 und 41. Dabei
sind die Zinken des Kammes 40 mit dem Anschluss 44 und
die Zinken des Kammes 41 mit dem elektrischen Anschluss 43 verbunden.
Der Abstand der beiden Kämme 40 und 41 bzw.
ihrer Zinken ist dabei so gewählt,
dass er einer halben Steigung des Gewindes der Schraubenlinie 34 entspricht.
Zusätzlich
sind die Kämme 40 bzw. 41 entsprechend
dem Gewindegang der Schraubenlinie 34 leicht geneigt. Somit
erfassen die Zinken des Kammes 40 beispielsweise die erhabene
Schraubenlinie 34 und somit aufgrund des geringeren Abstandes
eine höhere
Kapazität,
während
dessen die Zinken des Kammes 41 die zwischen der Schraubenlinie 34 angeordneten
Zwischenräume
und somit eine kleinere Kapazität
detektieren.
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Bei
einer Drehung der Drehachse 5 wandert die Schraubenlinie 34 entlang
der Drehachse 5. Als Folge hiervon ändert sich sowohl die mit dem
Kamm 40 als auch die mit dem Kamm 41 erfasste
Kapazität periodisch.
Die Kapazitäten
der beiden Kämme 40 und 41 sind
hierbei gegeneinander um 180° phasenverschoben.
Die Länge
des Detektionselementes 38 bzw. die Anzahl der Zinken ist
dabei so gewählt,
dass die durch Wandern der Schraubenlinie 34 verursachte
Kapazitätsänderung
möglichst
hoch ist, jedoch Randeffekte vermieden werden.
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Zur
Erfassung der Drehzahl des Antriebs 7 kann eine Auswerteschaltung
verwendet werden, die die Kapazitäten der beiden Kämme 40 und 41 gegenüber dem Drehelement 2 mittels eines Spannungsteilers
abgreift. Durch Differenzbildung der phasenverschobenen Kapazitätssignale
lassen sich auch hier am Ort des Drehelements 2 auftretende
Störungen, die
zu einer Verfälschung
des detektierten Signals führen
würden,
eliminieren. Die Anregungsfrequenz wird hierbei so gewählt, dass
der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands bei der Anregungskapazität sich in
der Größenordnung
des Vorwiderstands bewegt, um eine möglichst große Spannungsänderung zu
erreichen. Die Kapazität
wird über
mehrere Windungen gemessen, wodurch eine größere Kapazitätsänderung
und somit ein größerer Signal-
Stör-Abstand
erreicht wird.
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Die
in 3 dargestellte Schaltung zeigt eine Auswertung
der relativen Kapazitätsmessung zur
Generierung eines die Drehzahl charakterisierenden Messsignals.
Hierzu wird die zwischen dem Drehelement, hier als Elektrode X8
bezeichnet, und den Elektroden X6 und X7 der den Geberabschnitten
zugeordneten Detektionsabschnitten gebildete Kapazität als Spannungssignal
an den Widerständen
R13 bzw. R14 abgegriffen. Die Signale an den Mittenabgriffen der
RC-Glieder werden anschließend
in den Operationsverstärkern
IC6 bzw. IC7 verstärkt,
um die Spannungsteiler nicht zu belasten und um einen zusätzlichen
Signal-Stör-Abstand
zu gewinnen. Mit Hilfe der Dioden und den RC-Gliedern werden Spitzenwerterkennung
der bei Drehung periodischen, den Kapazitäten der Geberabschnitte zugeordneten Spannungssignale
realisiert. Der dritte Operationsverstärker IC8 subtrahiert die beiden
Signale voneinander, verstärkt
die Differenz und fügt
einen Offset hinzu.
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Ein
Vorteil dieser Auswerteschaltung ist es, dass sie nicht abgeglichen
werden muss. Die Funktionsweise ist zudem in einem kleinen Bereich
unabhängig
vom Abstand zwischen Ruheelement und Drehelement. Dies macht die
dargestellte Auswerteschaltung für
einen Serieneinsatz brauchbar.
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Die
Eingangsverstärkerstufen
können
gegebenenfalls durch einfache Impedanzwandler ersetzt werden.
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In 4 ist
eine alternative Auswerteschaltung für einen Drehsensor gemäß 1 oder 2 gezeigt.
Auch diese Auswerteschaltung wertet eine relative Kapazitätsmessung
zur Generierung eines die Drehzahl charakterisierenden Messsignals
aus.
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Das
Messprinzip der Schaltung beruht darauf, dass zwei unterschiedliche
Kapazitäten
bei gleichen Vorwiderständen
eine unterschiedliche Entladekurve besitzen. Die unterschiedlichen
Kapazitäten zwischen
dem Drehelement, hier als Elektrode X11 bezeichnet, und den unterschiedlichen
Geberabschnitten des Drehelements zugeordneten Detektionsabschnitten
des Ruheelements, hier die Elektroden X12 und X13, werden wiederum
mittels Spannungsteiler abgegriffen. Durch die Dioden-Widerstand-Kombination
D4/R25 bzw. D5/R27 wird der den Geberabschnitten jeweils zugeordnete
Kondensator sicher auf die Spitzenspannung des treibenden Wechselspannungssignals
geladen. Für
die Auswerteschaltung wird hierbei ein Rechtecksignal der Frequenz
80 kHz verwendet. Hierzu sind die Widerstände R25 und R27 um ein Vielfaches
kleiner gewählt als
die Entladewiderstände
R23 und R24. Die Entladung erfolgt ausschließlich über die Widerstände R23
und R24, da die Dioden im Fall der Entladung sperren.
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Da
die Entladung eines RC-Gliedes bei gleicher Ladung ausschließlich von
der Kapazität
und dem Widerstand abhängt
und die RC-Glieder zum Auswerten der beiden Kapazitäten Entladewiderstände des
gleichen Wertes besitzen, hängt
somit die Entladekurve nur noch von der Kapazität ab. Die Entladewiderstände R23
und R24 werden so gewählt, dass
die Kapazitäten
beim Entladevorgang um etwa 63% entladen werden. Dies entspricht
der Ladekonstante τ des
RC-Gliedes. Der nachgeschaltete Komparator IC11 vergleicht ständig die
Signalverläufe
der beiden Mittenabgriffe der RC-Glieder. Das D-Latch (zustandsgesteuertes
Flip-Flop) am Ausgang übernimmt
den Wert des Komparators bei der steigenden Flanke des Taktes. Dies
entspricht dem Zeitpunkt, an dem das RC-Glied um etwa τ entladen
wird.
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Vorteil
der in 4 gezeigten Auswerteschaltung ist, dass diese
ebenfalls nicht abgeglichen werden muss. Außerdem kann diese Auswerteschaltung
mit einem Rechtecksignal versorgt werden, was einfach mittels einer
Pulsweitenmodulation realisiert werden kann und somit keinen weiteren
Schaltungsaufwand für
einen Sinus-Generator erfordert. Ein weiterer Vorteil ist der sehr
geringe Schaltungsaufwand. Das D-Latch kann sehr gut mittels Software realisiert
werden. Dazu muss nur der Digitaleingang eines Mikrocontrollers
bei der steigenden Flanke des PWM-Signales eingelesen werden. Die
Funktionsweise der Auswerteschaltung ist ebenfalls in einem kleinen
Bereich unabhängig
vom Abstand zwischen Drehele ment und Ruheelement. Insofern eignet
sich auch die gezeigte Auswerteschaltung gemäß 4 für einen
Serieneinsatz.
-
In 5 ist
schematisch eine Kfz-Verstelleinheit 50 dargestellt. Als
Teil der Kfz-Verstelleinheit 50 ist
das Dach 52 eines Kraftfahrzeuges sichtbar, in welches
als ein Verstellorgan 53 ein Schiebedach 54 eingelassen
ist. Das Schiebedach 54 ist – wie durch die Pfeile 56 angedeutet – verfahrbar
und insbesondere gegen einen Anschlag 57 schließbar.
-
Das
Schiebedach 56 ist mittels einer nicht näher dargestellten
und an sich bekannten Mechanik 59 an einen elektrischen
Antrieb 60 angebunden, der mittels einer zugeordneten Steuereinheit 62 gesteuert
wird. Die Steuereinheit 62 erfasst zur Detektion eines
Einklemmfalles zwischen dem Anschlag 57 und dem sich schließenden Schiebedach 54 die
Drehzahl des elektrischen Antriebs 60. Hierzu ist auf der
Antriebsachse des elektrischen Antriebs 60 ein Drehsensor 1 gemäß 1 angeordnet.
Wird im Verstellweg des Schiebedachs 54 eine von einem
Normalverlauf abweichende Drehzahländerung registriert, so schließt die Steuereinheit 62 auf
einen Detektionsfall, woraufhin der Antrieb 60 gestoppt
und reversierend angetrieben wird. Zum Erkennen eines Einklemmfalles
beobachtet die Steuereinheit 62 insbesondere die Größe der Abweichung
der mittels des Drehsensors 1 festgestellten Drehzahl von
einem für den
Stellweg vorgegebenen Sollverlauf. Erreicht der Abstand zwischen
Istdrehzahl und Solldrehzahl einen vorgegebenen Abschaltschwellenwert,
so wird auf einen Einklemmfall geschlossen. Der Drehsensor 1 ersetzt
in der Kfz-Verstelleinheit 50 einen bislang üblichen
Hall-Sensor, wodurch
insgesamt die Kosten reduziert werden können.
-
- 1
- Drehsensor
- 2
- Drehelement
- 4
- Ruheelement
- 5
- Drehachse
- 7
- Antrieb
- 9
- erster
Geberabschnitt
- 10
- zweiter
Geberabschnitt
- 14
- erster
Detektionsabschnitt
- 15
- zweiter
Detektionsabschnitt
- 17
- Mantelfläche
- 19
- Stege
- 21
- Mantelflächenabschnitt
- 23
- Auswerteschaltung
- 25
- dritter
Geberabschnitt
- 27
- dritter
Detektionsabschnitt
- 30
- Stege
- 32
- Drehsensor
- 34
- Schraubenlinie
- 35
- Vertiefungen
- 36
- Vorsprünge
- 38
- Detektionselement
- 40
- Kamm
- 41
- Kamm
- 43
- Anschluss
- 44
- Anschluss
- 50
- Kfz-Verstelleinheit
- 52
- Dach
- 53
- Verstellorgan
- 54
- Schiebedach
- 56
- Pfeile
- 57
- Anschlag
- 59
- Mechanik
- 60
- Antrieb
- 62
- Steuereinheit
- C
- Kondensatoren
- R
- Widerstände
- IC
- Integrierte
Schaltkreise
- X
- Elektroden