DE60007270T2

DE60007270T2 - Position sensor

Info

Publication number: DE60007270T2
Application number: DE60007270T
Authority: DE
Inventors: Martin Zapf
Original assignee: ZF Electronics GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: ES2211384T3; DE60007270D1; US20020196015A1; EP1122520A1; US6593730B2; ATE256857T1; EP1122520B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positionssensor, der beispielsweise als elektronisches Steuerglied oder als Drehschalter benutzt werden kann.
Viele Drehschalter werden auf dem Gebiet von Haushaltswaren benutzt, um Reinigungsprogramme in Waschmaschinen oder Temperaturbedingungen in elektrischen Herden einzustellen. Solche Drehschalter leiden jedoch an mehreren Nachteilen.
Ein bedeutsamer Nachteil von gegenwärtig existierenden Drehscheiben besteht darin, dass sie im allgemeinen nicht frei von Abnutzung sind und im Verlaufe ihrer Betriebszeit einer Leistungseinbuße unterliegen können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sie im allgemeinen mehrteilig herzustellen und umständlich mit einer Steuertafel zu kontaktieren sind.
Wahlschalter können an einer Steuertafel untergebracht sein. Solche Schalter haben jedoch eine begrenzte Betriebsdauer und es fehlt ihnen an der Vielseitigkeit eines Drehschalters, da die Zahl der Positionen durch den geometrischen Aufbau begrenzt ist. Weiterhin nimmt mit der Anzahl der Schaltpositionen auch die Komplexität des Schalters zu, was die Kosten ansteigen lässt. Dieser Nachteil kann überwunden werden, wenn Sensoren zum Einsatz kommen, die ein Sensorsignal erzeugen; das Sensorsignal ist die Antwort auf eine Veränderung, die durch eine Drehung des Drehschalters verursacht wird. Solche Sensoren sind jedoch im allgemeinen temperaturempfindlich, teuer und zeigen oft eine Hysterese, die die Zahl der Schaltpositionen begrenzt. Ein Beispiel für einen solchen feldempfindlichen Schalter könnte einen kapazitiven Mechanismus enthalten, in dem die Kapazität durch die Drehung des Auswahlschalters geändert wird. Solch ein Mechanismus ist in vielen Fällen ungeeignet, weil er gegen Feuchtigkeit empfindlich ist. Sensoren, die die Erscheinung der Induktion nützen, sind beständig gegen Feuchtigkeit.
Induktive Positionssensoren sind bekannt aus dem Gebiet elektrischer Motoren und dergleichen, um die Winkelposition des Rotors zu bestimmen. Ein Beispiel hierfür ist in US 5,621,179 beschrieben. Ein Winkelpositionssensor, der planare Spulen verwendet, ist in US 4,507,638 beschrieben. In der dort beschriebenen Anordnung ist eine drehbare Platte zwischen Primär- und Sensorspule eingeschoben. Die drehbare Platte ist aus einem Material gefertigt, das ein in der Primärspule induziertes Magnetfeld davon abhält, die Sensorspule zu erreichen oder zu aktivieren. Um auf Positionen anzusprechen, kann die drehbaren Platte eine nockenartige Form haben. Stattdessen kann auch eine Vielzahl von Primär- und Sensorspulen verwendet werden, die entsprechend dem Betriebswinkel verteilt sind. Pulssignale oder Wechselstromsignale werden in die Primärspulen, die die Form einer planaren Spule auf einer gedruckten Schaltung annehmen können, eingeprägt.
Ein weiterer Positionssensor ist in US 5,239,288 beschrieben. Der dort beschriebene Sensor umfasst eine Statorbaugruppe und eine Rotorbaugruppe. Die Statorbaugruppe und die Rotorbaugruppe umfassen jeweils mehrere Schichten, auf denen eine oder mehrere Spulen mit Mehrfachwindung angeordnet sind. Ein Wechselstromsignal wird in eine der Statorwindungen eingeprägt, wodurch in den Rotorwindungen ein Strom erzeugt wird. Dies hat zur Folge, dass ein Signal, das von der Winkelposition des Rotors abhängt, in weiteren Spulen des Stators erzeugt wird.
Das Dokument EP 542 803 A1 zeigt einen induktiven Positionssensor zur Messung der Position eines beweglichen Messobjekts. Ein Spulensystem kann durch die Bewegung eines Kerns beeinflusst werden, der an das Messobjekt gekoppelt ist. Der induktive Positionssensor funktioniert nach dem Prinzip einer Änderung in der Transformatorkopplung. Eine metallische Wirbelstromabschirmung, die zur Änderung der Transformatorkopplung notwendig ist, ist aus mindestens einem Teil des Kerns zusammengesetzt. Das Messobjekt ist der Steuerstab der Einspritzpumpe eines Verbrennungsmotors. Der Kern ist mit der Steuerstange verbunden und weist einen konischen Schlitz oder Ausschnitt und/oder eine größer werdende Einsenkung auf.
Weiterhin zeigt die ältere Anmeldung EP 992 765 A1 ein zu lösendes Problem und eine Lösung. Das zu lösende Problem besteht darin, eine lineare Verschiebebewegung genau zu messen; dabei soll das System so ausgelegt sein, dass ein Primärstrom konstant ist, wenn eine Sekundärspule unbelastet ist.
Die Lösung wird in einem Verschiebungsgrößendetektor gesehen, dessen Primärspulen gleiche Windungszahlen aufweisen. Die Primärspulen sind auf einer gemeinsamen Spulenachse angeordnet, mit entgegengesetzten Wicklungsrichtungen in Serie geschaltet und an den Ausgang eines Verstärkers angeschlossen, der eine Wechselspannungsquelle darstellt. Ein Spulenträger, der die Primärspulen hält, lässt die Bewegung eines Kerns in der Längsrichtung einer durchgehenden Öffnung zu. Eine Sekundärspule, die zwischen den Primärspulen befestigt ist, ist koaxial mit deren gemeinsamer Spulenachse angeordnet. An den Klemmen der Sekundärspule liegen ein Widerstand und ein Kondensator und bilden eine Lastimpedanz für den Verschiebungsgrößendetektor. Unter diesen Umständen sorgt die Lastimpedanz für eine feste Beziehung zwischen dem Eingangsstrom eines Messgeräts und einer von dem Kern eingenommenen Position. Die Anordnung ist nämlich so getroffen, dass ein Strom durch die Primärspulen konstant sein kann, wenn die Sekundärspule ohne Last betrieben wird. Wenn diese Beziehung zum Ausgleichen eines nichtlinearen Effekts benutzt wird, so lässt sich die Messung der Verschiebungsgröße mit einer besseren Linearität vornehmen.
Schließlich zeigt das Dokument DE 43 35 701 A1 einen Positionssensor zur Ermittlung einer von ihm eingenommenen Position, umfassend
einen Generator eines zeitveränderlichen magnetischen Felds;
ein elektrisch leitfähiges Element, das so positioniert ist, dass das zeitveränderliche magnetische Feld Wirbelströme in ihm erzeugt;
mindestens einen Aufnehmer, der als Reaktion auf das zeitveränderliche magnetische Feld ein Signal erzeugt;
und einen Signalprozessor, der aus diesen Signalen die eingenommene Position des Positionssensors ermittelt.
Dabei ist das leitfähige Element relativ zu dem mindestens einen Aufnehmer beweglich. Das von dem Aufnehmer erzeugte Signal hat eine Größe, die abhängt von der Position des leitfähigen Elements, die der eingenommenen Position des Sensors entspricht. Das Dokument offenbart ferner zwei Aufnehmer, von denen jeder ein Signal als Reaktion auf das zeitveränderliche magnetische Feld erzeugt. Der Signalprozessor verarbeitet die Signale dieser mindestens zwei Aufnehmer gemeinsam.
Die vorliegende Erfindung sieht einen Positionssensor gemäß dem Anspruch 1 vor. Weitere Gesichtspunkte von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend – lediglich beispielhaft – beschrieben. Hierbei wird auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen, in denen:
1 einen Querschnitt eines Drehwinkelsensors nach der Erfindung darstellt;
2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Sensors darstellt, die Primär- und Sensor-Spulenanordnungen mit zugehöriger Beschaltung zeigt;
3 die Anordnung gemäß 2 mit einem abschirmenden Element zeigt, das die Spulen überdeckt.
In den 1 und 2 ist ein Drehwinkelsensor 10 nach der Erfindung dargestellt. Der Positionssensor 10 umfasst eine Primärspule 12 und zwei Sensorspulen 14 und 16. Eine leitfähige Abschirmplatte 18 ist an einer drehbaren Welle 20 befestigt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Abschirmplatte 18 an einen Bedienknopf 22 aus Plastik angefügt.
Die Primärspule 12 und die Sensorspulen 14 und 16 sind als Einzelwindungen mit Anschlüssen 24 am Ende der Windungen dargestellt. Alternativ können eine oder mehrere der Spulen Mehrfachwindungen mit einer spiralförmigen Struktur aufweisen. Die Primärspule 12 hat eine Form, die einem Vollkreis nahekommt, während die Sensorspulen 14 und 16 die Form eines Kreissektors haben, dessen Fläche etwa ein Drittel der Fläche der Primärspule 12 umschließt. Wie aus 3 zu entnehmen ist, hat die Abschirmplatte 18 ebenfalls die Form eines Kreissektors mit einer Mantelfläche, die ungefähr gleich einem Drittel der Fläche der Primärspule 12 ist. Die Primärspule 12 und die Sensorspulen 14 und 16 sind vorzugsweise als Leiterbahnen auf einer gedruckten Schaltungsplatine ausgestaltet. Die Abschirmplatte wird vorzugsweise aus einem Normstahlblech ausgestanzt und durch Spritzgießen mit dem Bedienknopf 22 und der Drehwelle 20 verschweißt. Für die Abschirmplatte wird die Form eines Kreissektors bevorzugt. Es ist jedoch festzuhalten, dass der Umriss der Abschirmplatte jede Form annehmen kann, die um die Drehwelle 20 verschwenkt werden kann. Die Mantelfläche der Abschirmplatte sollte nicht kleiner sein als ein Drittel der Fläche, die innerhalb der Primärspule liegt.
Die Anschlüsse 24 der Primärspule 12 sind an eine Wechselspannungsquelle 26 angeschlossen. Spannungen, die in den Sensorspulen 14 und 16 induziert werden, werden jeweils durch Wandler 28 in Gleichstromsignale umgewandelt. Diese Gleichstromsignale werden dann in einem Mikroprozessor 30, der eine Analogdigitalwandlung vornehmen kann, verarbeitet.
Die Stromquelle 26 liefert einen zeitveränderlichen Strom von etwa 5 mA an die Primärspule 12, der einen zeitveränderlichen Magnetfluss Φ. Dieser zeitveränderliche Magnetfluss hat Komponenten Φ1 und Φ2 die jeweils die Sensorspulen 14 und 16 durchdringen. Diese Magnetflüsse induzieren einen Strom in jeder der Sensorspulen 14 und 16, der dazu führt, dass eine Potentialdifferenz über den Wicklungswiderstand in den Spulen erzeugt. wird. Diese induzierte Potentialdifferenz ist direkt proportional der Amplitude des in die Primärspule 12 eingeprägten Stroms und der Betriebsfrequenz.
Die Abschirmplatte 18, die als leitfähiges Element wirkt, liegt in dem magnetischen Feld, das von der Primärspule 12 erzeugt wird. In der Folge werden in der Abschirmplatte 18 Wirbelströme und damit ein magnetisches Feld erzeugt, das dem magnetischen Feld der Primärspule 12 entgegengesetzt ist. Die Überlagerung dieser magnetischen Felder führt dazu, dass die von den zwei Sensorspulen 14 und 16 aufgefassten Magnetfelder reduziert sind, wenn die Abschirmplatte 18 sich in ihrer Nähe befindet. Die genaue Stellung der Abschirmplatte 18 führt deshalb zu einer vorbestimmten Einwirkung auf die Potentialdifferenz, die in den zwei Sensorspulen 14 und 16 erzeugt wird. Je größer die Überdeckung der Spule, desto kleiner die in der Spule induzierte Spannung. Eine Auswertung der Potentialdifferenzen, die in den Sensorspulen erzeugt werden, führt zu einer Positionsbestimmung der Abschirmplatte 18 und damit des Bedienknopfs 22.
Die Wechselspannungsquelle 26 enthält vorzugsweise einen preiswerten CMOS Inverter. Der Taktgeber kann eine Frequenz von 4 oder 8 oder 12 MHz oder eine andere Frequenz aufweisen. Diese Wechselspannung wird über einen (nicht dargestellten) Widerstand, der den Ausgangsstrom begrenzt, als Betriebsspannung an die Primärspule 12 angelegt.
Die Potentialdifferenzen an den Sensorspulen 14 und 16 werden jeweils in Gleichspannungen umgewandelt. Hierzu dient ein einfacher Amplitudendemodulator, der eine Schottky-Diode, zwei Widerstände und zwei Kondensatoren umfasst. Die Gleichspannung kann dann auf den Analog-Digital-Eingang des Mikroprozessors 30 weitergeleitet werden. Falls die Amplitude der von den Sensorspulen 14 und 16 erzeugten Signale zu gering sein sollte, weil vielleicht die Mantelfläche zu gering ist, so können die Signalamplituden durch einen preiswerten Operationsverstärker verstärkt werden.
Im folgenden wird die rechnerische Auswertung beschrieben, die zur Bestimmung der durch den Sensor 10 eingenommenen Position notwendig ist.
Die Gleichspannungssignale; die an den Sensorspulen 14 und 16 erzeugt werden, werden als U1 bzw. U2 bezeichnet. Hieraus wird ein Maß I für die relativen Induktionssignale berechnet, wobei gilt I = U1/U2. Ein Maß G für die Gesamtinduktion wird auch berechnet, wobei G = U1+U2.
Die Werte I und G werden dazu verwendet, die Position der Abschirmplatte 18 zu bestimmen, indem sie mit Daten verglichen werden, die in einer Tabelle gespeichert sind. Das Relativsignal I liefert im Allgemeinen einen guten Ausgangspunkt zur Bestimmung der relativen Position der Abschirmplatte 18, kann jedoch doppeldeutig sein. Wenn beispielsweise in 3 die Abschirmplatte die oberste Position einnimmt, so sind die Signale U1 und U2 etwa gleich groß. Dies wird auch eintreten, wenn die Abschirmplatte die unterste Position einnimmt. Da der Wert I in beiden Fällen der Gleiche ist, kann die Position der Abschirmplatte unter solchen Umständen nicht allein aus dem Wert I bestimmt werden. In solchen Fällen wird auch das Maß G für die Gesamtinduktion verwendet, um die absolute Position zu bestimmen.
Da die elektronischen Komponenten eng nebeneinander angeordnet werden können, ist der Einfluss der Temperatur auf die detektierten Signale der gleiche, sodass die Temperatur wenig oder keinen Effekt auf das relative Maß I ausübt. Die Temperatur wird aber einen Einfluss auf das Gesamtmaß G haben, das deshalb nur dazu benutzt wird, um die grobe Position der Abschirmplatte zu bestimmen (ob im Quadranten II/III oder I/IV in 3). Auf diese Grobbestimmung der Sensorposition wird eine Temperaturabhängigkeit von G keine Einfluss haben.
Auswirkungen von Herstellungstoleranzen bei der Abschirmplatte 18 und den Spulen 12, 14 und 16 und besonders bei der zugehörigen Elektronik werden durch eine anfängliche Eichung berücksichtigt; bei der die Maße I und G berechnet werden, wenn der Sensor eine Nullposition einnimmt. Diese Eichung kann automatisch vorgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Positionssensor 10 mit 24 Einstellpositionen ausgeführt, die gleichmäßig auf dem Umfang der Primärspule 12 verteilt sind. Eine Rastscheibe kann bei Bedarf an der Welle 20 befestigt werden, um diese Positionen taktil anzuzeigen. Die Anzahl der Einstellpositionen ist durch die Ansprechempfindlichkeit der Elektronik und durch die Verarbeitungskapazität des Mikroprozessors begrenzt. Wenn ein nachträgliches Bedürfnis besteht, die Anzahl der Positionen zu vergrößern, dann kann das im Mikroprozessor gespeicherte Programm aktualisiert werden oder ein Ersatzprozessor eingesetzt werden. Gegebenenfalls kann die Rastscheibe ausgetauscht werden.
Während die bevorzugte Ausführungsform zwei Sensorspulen enthält, könnte die Anzahl der Sensorspulen größer sein. Bei solchen Anordnungen könnten die Verhältnisse der in benachbarten Spulen induzierten Signale dazu benutzt werden, die Position der Abschirmplatte zu bestimmen. Durch solche Verhältnismessungen kann die Position der Abschirmplatte unzweideutig bestimmt werden. Bei Bedarf kann ein gesonderter Trennschalter, der durch den Bedienknopf 22 betätigt wird, in den Positionssensor eingefügt sein, um für eine ausdrückliche Abschaltung zu sorgen. Hierfür geeignet wäre ein D4-Schalter der Firma Cherry GmbH.
In einem Baustein, der eine Gruppe von mehreren Positionssensoren aufweist, können die Sensorspulen im Multiplex-Betrieb an die zwei Amplitudendemodulatoren angelegt werden. Hierdurch vermindern sich die Gesamtkosten. Bei mehr als einem Baustein können die Primärspulen in Serienschaltung verbunden werden.
Der Positionssensor nach der vorliegenden Erfindung eignet sich zum Einbau in Steuertafeln für Herde, um beispielsweise die Einstellung einer Kochstelle zu steuern. Auch für andere Haushaltsgeräte ist der Positionssensor geeignet. Besonders nützlich in diesem Anwendungsgebiet sind die Temperaturunabhängigkeit und die Unempfindlichkeit gegen Nässe. Anwendungen in der Automobil-Industrie wären ebenfalls brauchbar, da hier die Unempfindlichkeit gegen Umweltbedingungen von Bedeutung ist.
Obwohl der Positionssensor als Winkelsensor beschrieben worden ist, kann das Funktionsprinzip auf lineare Positionssensoren, beispielsweise Schiebeorgane, erweitert werden. In einer derartigen Verwendung würden eine rechteckige Primärspule der Länge l und zwei benachbarte rechteckige Spulen der Länge l/2 mit einer Abschirmplatte der Länge l/2 zusammenarbeiten.
Der beschriebene Positionssensor ist stabil in dem Sinne, dass die Schalterposition auch nach einem Stromausfall festliegt, da die Bestimmung der Schalterposition nicht dadurch geschieht, dass inkrementelle Änderungen der Position überwacht werden. Die Sensoren sind generell temperaturunempfindlich und widerstandsfähig gegen Feuchtigkeit. Wegen des geringen Widerstands der Spulen sind sie nicht empfindlich gegen parasitäre elektromagnetische Einflüsse. Ferner zeichnen sich solche Sensoren durch sehr geringe elektromagnetische Störungen aus.

Claims

Ein Positionssensor (10) zur Ermittlung einer von ihm eingenommenen Position, umfassend – einen Generator (12, 24, 26) eines zeitveränderlichen magnetischen Felds; – ein elektrisch leitfähiges Element (18), das so positioniert ist, dass das zeitveränderliche magnetische Feld Wirbelströme in ihm erzeugt; – mindestens zwei Aufnehmer (14, 16), die als Reaktion auf das zeitveränderliche magnetische Feld ein Signal (U1, U2) erzeugen; und – ein Signalprozessor (30), der so ausgebildet ist, dass er die Signale (U1, U2) der mindestens zwei Aufnehmer (14, 16) gemeinsam empfängt und die eingenommene Position des Positionssensors (10) ermittelt, wobei das leitfähige Element (18) relativ zu den mindestens zwei Aufnehmern (14, 16) so bewegbar ist, dass die von den Aufnehmern (14, 16) erzeugten Signale (U1, U2) eine Größe haben, die abhängt von der Position des leitfähigen Elements (18), die der eingenommenen Position des Sensors (10) entspricht, und wobei der Generator (12, 24, 26) des zeitveränderlichen magnetischen Felds eine leitfähige Primärwindung (12) und eine Wechselstromquelle (26), die einen Wechselstrom durch die Primärwindung (12) schickt, umfasst, und wobei die zumindest zwei Aufnehmer (14, 16) in Form zweier Sensorwindungen (14, 16) vorliegen, der Positionssensor (10) dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensorwindung (14, 16) innerhalb einer Projektionsfläche der Primärwindung (12) so angeordnet ist, dass die zwei Sensorwindungen (14, 16) eine gemeinsame Projektionsfläche aufweisen, die kleiner ist als die Projektionsfläche der Primärwindung (12).
Positionssensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwindung (12) einen im Wesentlichen kreisförmigen Umriss aufweist sowie die zwei Sensorwindungen (14, 16) jeweils eine Projektionsfläche in Form eines Kreissektors aufweisen, und das leitfähige Element (18) relativ zu den zwei Sensorwindungen (14, 16) drehbar ist.
Positionssensor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche der zwei Sensorwindungen (14, 16) ungefähr 2/3 der Projektionsfläche der Primärwindung (12) beträgt und das leitfähige Element (18) die äußere Form eines Kreissektors aufweist, die im Wesentlichen gleich der Projektionsfläche einer Sensorwindung (14) ist.
Positionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessor (30) die Summe und den Quotienten der Aufnehmersignale (U1, U2) berechnet, um eine eindeutige Sensorposition zu ermitteln.
Positionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Positionssensoren (10) im Multiplexbetrieb an einen einzigen Signalprozessor (30) angeschlossen sind.
Positionssensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass er (10) einen Trennschalter umfasst.