DE3303994A1

DE3303994A1 - Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3303994A1
Application number: DE19833303994
Authority: DE
Inventors: Stephan Charles Hertfordshire Hazon
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1983-02-05
Publication date: 1983-08-25
Also published as: GB2115929B; GB2115929A

Description

820467/ Hazon -1

Positionsmeßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsmeßvorrichtung mit einer elektromagnetischen Spule, einem in Längsrichtung der Spule beweglichen ferromagnetischen Kern und mit einer Einrichtung zur Messung der Spuleninduktivität. Mit dieser Vorrichtung lassen sich relativ geringe Entfernungen zwischen zwei nahe zueinander angeordneten beweglichen Körpern bestimmen. Solche Meßvorrichtungen werden z.B. in Kraftfahrzeugen zur Einstellung bzw. Verstellung der Scheinwerferneigung verwendet .

Die Ausrichtung der Fahrzeugscheinwerfer ist insofern kritisch, als bei zu niedriger Einstellung der Scheinwerfer die vor dem Fahrzeug liegende Straße nicht genügend ausgeleuchtet ist, während andererseits bei einer zu hohen Einstellung die entgegenkommenden Fahrzeuge geblendet werden. Bei fest eingestellten Scheinwerfern wird der Leuchtwinkel von der Fahrzeugbeladung beeinflußt. Eine Vorrichtung zur automatischen Regelung der Höheneinstellung von· Kraftfahrzeugen zum Ausgleich unterschiedlicher Beladung ist beispielsweise in der US-PS Nr. 4 293 893 beschrieben. Es ist einleuchtend, daß zur Verwendung einer solchen Vorrichtung ein Gerat zur Messung der Lageänderung oder Position der gefederten Fahrzeugkarosserie relativ, beispielsweise, zu den ungefederten Achsen benötigt wird.

8204677 .".:— .-..", .Η-θζοϊΐ -1

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein solches Gerät zu schaffen.

Es wurde nun herausgefunden, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise mit einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Art lösen laßt, die darin besteht, daß die Spule eine nichtlineare Wicklung aufweist und derart ausgebildet ist, daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung sich annähernd proportional zur Eindringtiefe des ferromagnetischen Kerns ändert.

Einige vorteilhafte Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung sowie ein entsprechendes Meßverfahren und eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur Einstellung und Verstellung der Fahrzeugscheinwerfer kann die Spule der erfindungsgemäßen Positionsmeßvorrichtung an der Unterseite der Pahrzeugkarosserie direkt oberhalb einer Achse und der Spulenkern, in Form eines Stabes,, an dem Achsgehäuse befestigt werden. Die Beladung des Fahrzeugs beeinflußt dann die Eindringtiefe des Kerns in die Spule und dadurch die Frequenz eines Oszillators, die als Regelgröße in einem Regelkreis für die Scheinwerfer-Höheneinstellung ausgewertet werden kann.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen hervor.

Es zeigen in schematischer Vereinfachung

ö/u4b/7 .. . Hazon -1

Fig. 1 den Schaltkreis einer Positionsmeßvorrichtung der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 2 eine nichtlineare Wicklung einer Spule für die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für eine Anordnung zur Verstellung von Kraftfahrzeugscheinwerfern und

Fig. 4 die Blockschaltung eines Schaltkreises für die Anordnung nach Fig. 3.

Die Positionsmeßvorrichtung nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer Spule Ll, die mit Hilfe eines Transistors Tl, der Kondensatoren Cl, C2 und einiger ohmscher Widerstände zu einem sogenannten Colpitts-Oszillator zusammengeschaltet ist. Die Schwingkreiskapazitat ist dabei zu der Spule Ll parallel geschaltet, deren Induktivität von der Eintauchtiefe eines stabförmigen Ferritkerns Fl abhängig ist. Die Verschiebbarkeit des Kernes Fl in Längsrichtung bzw. axial in der Spule Ll ist in Fig. 1 durch die beiden entgegengerichteten Pfeile symbolisiert.

Die Induktivität L einer Spule mit linearer Wicklung wird durch die Formel

_n2

beschrieben, worin 1 die Länge der Spule, A deren Querschnittsfläche, η die Windungszahl und yW. die Kernpermeabilität bezeichnen. Daraus ist ersichtlich, daß die Änderung der Permeabilität innerhalb der Spule, was sich durch Variation der Eindringtiefe des Ferritstabkerns erreichen läßt, eine änderung Spuleninduktivität ergibt. Wird die Spule Ll in den Schwingkreis eines Colpitts-Oszillators eingefügt, wie dies Fig. 1 zeigt, ändern sich die Oszillatorfrequenz f mit der Induktivität nach der Beziehung:

f =

2 Tf

worin C die effektive Kapazität des Schwingkreises darstellt.

Bei Verwendung einer linear gewickelten Spule, d.h. einer Wicklung mit konstanter Steigung/ ergibt sich jedoch eine nichtlineare Xnderung der Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von der Bewegung bzw. der Eintauchtiefe des Ferritstabkerns in die Spule. Eine lineare Freuquenzänderung läßt sich mit Hilfe einer nichtlinear gewickelten Spule erreichen, bei der sich die effektive Windungszahl pro Längeneinheit der Spule progressiv von einem zum anderen Ende der Spule über die gesamte Spulenlänge ändert. Zur Bestimmung der erforderlichen Nichtlinearität der Spulenwindung.wurde zunächst auf einem mm-Spulenkörper aus Kunststoff auf einer Länge von 145 mm eine Wicklung mit 20 Windungen/cm aufgebracht. Ein Diagramm der Oszillatorfrequenz über der Eintauchtiefe des stabförmigen Kerns wurde aufgezeichnet. Die Neigung der Kurve bei verschiedenen Eintauchtiefen wurde gemessen. Daraus ließ sich abschätzen, welche Form die Spulenwicklung haben müßte, um

8204677

ίΐζ.οα -ι

eine zur Eintauchtiefe des Kerns in die Spule direkt proportionale Frequenzänderung zu erzielen. Die Ergebnisse dieser Vorgehensweise sind in der nachstehenden Tabelle I wiedergegeben, aus der zu ersehen ist, daß die Kurven bei vorgegebenen Eintauchlängen relative Gradienten aufweisen, die die an diesen Stellen erforderlichen Windungsverhältnisse zur Erzielung eines linearen Ausgangssignales angeben.

Tabelle I
BERECHNUNG DER WINDÜNGSVERHXLTNISSE

Stab Weg/Frequenz stellung änderung (cm)

(= Gradient)

Windungs Windungszahl

verhältnis pro cm

9,4 -* 13,2 AiA = 0,86

4,4

0,86 ₌ 5,4
0,16

°/⁸⁶ ,γ"3η = 0,86

13,2·^>16,0 111 = 0,44 6,4

HiAA= 2,75
0,16

AiAA χ 20 pc 0,86

16,0-^17,9 LA = 0,28 6,8

0,16"

= 1,75

0,28 0,86

17,9-^21,8 -IaL = 0,16 23,7

0,16=
0,16

AiJJL _λ-·20 «s 0,86

Um eine recht genaue Linearität zu erreichen/ wurde schließlich die Spule noch empirisch geringfügig verändert. Die endgültige Spulenkonstruktion ist in Fig. 2 dargestellt. Die Steigung der Windung wurde variiert/ um die richtigen Windungsverhältnisse über der Spule zu erreichen. Diese Art der Spulenkonstruktion ist möglicherweise das billigste Verfahren zur Herstellung einer nichtlinearen Spule. Es hat den Vorteil, dai3 dabei die geringste Drahtmenge und eine kurze Wickelzeit benötigt wird, doch erfordert es die Verwendung einer Wickelmaschine, mit der sich die Steigung der Windung ständig variieren läßt. Zur Erleichterung dieser Art des Spulenwickelns kann als Spulenkörper ein Formteil mit einer Schraubennut verwendet werden, deren Steigung sich konstant ändert und in die der Wicklungsdraht bei der Herstellung der Wicklung gelegt wird.

Eine andere Methode zur Herstellung der Wicklung besteht darin, eine Wickelmaschine zu verwenden, die Wicklungen mit konstanter Steigung aufbringt, wobei jedoch die Windungszahlen je nach Erfordernis bereichsweise in doppelter, dreifacher oder in vielfacher Lage mit mehreren "Durchgängen" der Wickelmaschine aufgebracht werden*

Der für das Versuchsmuster benutzte Ferritstabkern Fl bestand aus dem Werkstoff F14, besaß eine Länge von 140 mm und einen Druchmesser von 8 mm. Dies ließ innerhalb der Spule eine Seitentoleranz von 5 mm zu; für bestimmte Anwendungsfälle ist dies eine wünschenswerte Toleranz.

Für eine Anordnung zur Höheneinstellung von Kraftfahrzeugscheinwerfern kann die Spule Ll der erfindungsgemäßen Posi-

8204677 · Hazon -1

tionsmeßvorri.chtung auf der Unterseite der Fahrzeugkarosserie/ wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, montiert werden. Der Stabkern Fl ist in dieser Ausführungsart auf dem Hinterachsgehäuse 11 befestigt. Zum Schutz vor Steinschlag usw. wurde der Kern in einem Schutzrohr 12 angeordnet. Die übrigen Teile des Colpitts-Oszillators sind in einem Regelschaltkreis 13 enthalten, der an anderer Stelle in dem Fahrzeug montiert ist. Dieser Regelkreis 13, den Fig. 4 im Blockschaltbild zeigt, enthält den Oszillatorkreis 14, dessen Frequenz-Ausgangssignal in digitaler Form einem Vergleicher 15 zugeleitet wird. Das digitale Ausgangssignal dieses Vergleichers triggert eine monostabile Schaltstufe IG, die wiederum als Ausgangssignale Impulse konstanter Dauer und Amplitude mit der Frequenz des Oszillatorkreises 14 erzeugt. Mit diesen Impulsen wird ein Kondensator in einem Abtast- und Speicherkreis 17 geladen, der dadurch eine der Oszillatorfrequenz proportionale Gleichspannung annimmt. Diese Gleichspannung wird sodann in der Baustufe 18 gepuffert und verstärkt, wodurch ein Signal zur Verfugung steht, das die Information über die gemessene Position enthält und das für die Einstellung bzw. Nachstellung der Kraftfahrzeug-Scheinwerfer geeignet ist. über einen Anpassungskreis 19 wird dann aus dem Signal mit der Information über die gemessene Position der Antriebsstrom zur Betätigung der Vorrichtung 20 erzeugt, die die Scheinwerfer verstellt. Scheinwerferpositionssensoren 21 überwachen die Scheinwerferhöhe bezogen auf einen Referenzwert, der durch die Fahrzeugkarosserie gegeben ist, und bewirken eine Rückmeldung an die Anpassungsschaltung 19. Da die Stromversorgung in einem Kraftfahrzeug normalerweise sehr gestört ist im Vergleich zu den Anforderungen an elektronische Schaltkreise, ist für das Scheinwerfer-Einstellsystem ein geregelter Stromversorgungskreis 22 vorgesehen. Dieser Kreis

8204677 :*";-""" .*'-·**- .ShJZQiJ -1

enthält auch einen Uberspannungsbegrenzer, um die elektronischen Schaltkreise vor den hohen Spannungsspitzen zu schützen, die durch den Anlasser, den Scheibenwischermotor usw.. erzeugt werden.

Obwohl hier die Verwendung eines starren Ferritstabes als Spulenkern vorgesehen ist, könnte es sich für bestimmte Anwendungsfälle, z.B. für das zuvor beschriebene Scheinwerfer-Höheneinstellungssystem, als günstig erweisen, einen flexible,n und weniger brüchigen Kern einzusetzen. Als Alternativen zu einem festen Ferritstab wäre es möglich, a) zur Bildung eines Stabes mit geeigneter Festigkeit Ferritpulver in eine Kunststoffverbindung einzugießen, oder b) ein Ferrritpulver enthaltendes elastisches Kunststoffrohr zu verwenden. Diese letztgenannte Konstruktion würde auch Steinschlägen widerstehen; das Rohr würde nach einem Verbiegen wieder seine ursprüngliche Form annehmen .

Außerdem sind zahlreiche v/eitere -Anwendungen denkbar, bei denen es darauf ankommt, eine Änderung des Abstandes zwischen zwei Bauteilen oder Körpern zu ermitteln, die um einige Zentimeter voneinander getrennt angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche

.1./ PositionsHießvorrichtung, mit einer elektromagnetischen Spule, mit einem in Längsrichtung der Spule beweg liehen ferromagnetischen Kern und mit Einrichtungen zur Messung der Induktivität der Spule, dadurch g ek e η η zeichnet, daß die Spule (Ll) eine nichtlineare Wicklung auf v/eist und derart ausgebildet ist, daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung (13) sich annähernd proportional zur Eindringtiefe des ferromagnetischen Kerns (Fl) ändert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g ek e η η zeichnet, daß die nichtlineare Wicklung einlagig ausgebildet ist und eine sich entlang eines dielektrischen Spulenkörpers progressiv ändernde Steigung besitzt,
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g ek e η η zeichnet, daß der Spulenkörper zur Aufnahme der Wicklung eine schraubenförmige Nut mit sich progressiv ändernder Steigung aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g ek e η η zeichnet, daß die nichtlineare Wicklung über der gesamten Spulenlänge Wicklungen mit konstanter Steigung und Abschnitte mit doppelten, dreifachen oder vielfachen Windungslagen zur Erzeugung der Nichtlinearität aufweist,

3JU3994

8204677 .'*.: Eazcoi.-l

• · β

— 2 —
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spule als Kern (Fl) ein Ferritstab angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (Fl) aus Ferritpulver hergestellt ist, das in eine Harzverbindung eingegossen ist und einen Stab bildet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (Fl) aus Ferritpulver besteht, das sich in einem elastischen Kunststoffrohr befindet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Induktivität einen Oszillator mit einem Schwingkreis aufweist und daß die Spule (Ll) ein Teil dieses Schwingkreises ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g ek e η η zeichnet, daß der Oszillator nach dem Prinzip eines Colpitts-Oszillators aufgebaut ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennze ichnet, daß der dielektrische Spulenkörper hohl ausgebildet und derart dimensioniert ist, daß er normalerweise mit dem Kern (Fl) nicht in Berührung steht.

8204677 ;**::"."* :':': -ij&zbr. -1
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet/ daß diese Bestandteil einer Scheinwerfer-Höhenverstellanlage für Kraftfahrzeuge ist.
12. Verfahren zur Ermittlung der Position oder der Positionr,-veränderung zweier relativ zueinander beweglicher Körper, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Körper (10) mit einer elektromagnetischen Spule (Ll), die eine auf einen Spulenkörper nichtlinear aufgebrachte Wicklung besitzt und ein annähernd zur Eindringtiefe eines Kernes in die Spule direkt proportionales Ausgangssignal liefert, und der andere Körper (11) mit einem fer~ romagnetischen Kern (Fl), der in die Spule (Ll) mit variabler, von der gegenseitigen Lage der beiden Körper (10,11) abhängiger Tiefe eintaucht, verbunden werden und daß die Induktivität der Spule (Ll) gemessen wird.
13. Anordnung für Kraftfahrzeuge zur Einstellung der Scheinwerferneigung in Abhängigkeit von der Pahrzeugbeladung, dadurch gekennzeichnet, daß diese über eine Positionsmeßvorrichtung verfugt, die eine elektromagnetische Spule (Ll), einen zur Änderung der Induktivität beweglich in der Spule (Ll) angeordneten ferromagnetischen Körper (Pl) sowie einen Schaltkreis (13) aufweist, der mit der Spule verbunden ist und ein Regelsignal erzeugt, welches die von der Beladung des Fahrzeuges abhängige relative Position der Spule zu dem Kern variiert, sowie daß eine auf das Regelsignal ansprechende Vorrichtung zur Einstellung der Scheinwerferneigung vorhanden ist, wobei sich die Induktivität der Spule proportional zu der relativen Lage der Spule zu dein Kern ändert.