WO2021244904A1 - Induktiver positionssensor - Google Patents

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WO2021244904A1
WO2021244904A1 PCT/EP2021/063902 EP2021063902W WO2021244904A1 WO 2021244904 A1 WO2021244904 A1 WO 2021244904A1 EP 2021063902 W EP2021063902 W EP 2021063902W WO 2021244904 A1 WO2021244904 A1 WO 2021244904A1
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WO
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receiving system
position sensor
excitation coil
range
inductive
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/063902
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Nordhorn
Marc SEIFFERT
Marcus Irrgang
Original Assignee
HELLA GmbH & Co. KGaA
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Publication date
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Priority to US18/074,001 priority patent/US20230101886A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element

Definitions

  • the invention relates to an inductive position sensor, in particular a segment sensor, with a stator element which has an excitation coil to which a periodic alternating voltage is applied, as well as a receiving system, the signal of the excitation coil being inductively coupled into the receiving system, with a rotor element which determines the strength of the inductive coupling influenced between excitation coil and receiving system depending on its angular position relative to the stator element and with an evaluation circuit for determining the angular position of the rotor element relative to the stator element from the voltage signals induced in the receiving system.
  • Inductive position sensors are used in modern motor vehicles in a wide variety of applications with a large number of boundary conditions.
  • inductive position sensors are used where an angular position of a rotor is to be detected in order to enable precise control. This can be necessary, for example, on a steering column, a brake system or a drive for motor vehicles, especially electric and hybrid vehicles.
  • inductive position sensors systems are usually used which can detect a specific angular range. This is sufficient for most areas of application. By restricting the angle detection to a certain area, costs can be saved compared to an angle detection over the entire possible angle range, for example with a fully rotary sensor 360 °.
  • These position sensors are known as segment sensors from the prior art. When designing these position sensors, the excitation coil was often designed to be of a similar size to that the receiving system in order to achieve the smallest possible design of the inductive position sensor. In the case of segment and linear sensors in particular, this can lead to a disruptive influence of the excitation coil on the voltage signals induced in the receiving system and impair the determination of the angle.
  • the invention was based on the problem of improving the known position sensors, in particular segment sensors, in such a way that the error in determining the angle is minimized and, at the same time, the smallest possible size can be realized.
  • the position sensor has a uniqueness range E in which the angular position can be clearly determined
  • the receiving system extends over a first angular range
  • the first angular range N 1 n * E with n> 1
  • the Excitation coil extends over a second angular range
  • the second angular range N 2 m * E with m> 2
  • m and n are positive integers and m> n.
  • the uniqueness area is understood to be the area in which an angle can be clearly determined by means of the position sensor. This The range of uniqueness can be between 0 ° and 360 °. Since position sensors are used in a wide variety of locations, the unambiguous range that the sensor must clearly detect can be very different. However, the uniqueness range is and is specified by the boundary conditions of the system and can be used as an input variable when designing the position sensor.
  • the inductive position sensor With the inductive position sensor according to the invention, it is possible that the influence of the excitation coil on the voltage signals induced in the receiving system can be minimized if the angular range over which the excitation coil and the receiving system extend are designed as a function of the uniqueness range.
  • the error in determining the angle can be minimized if the receiving system extends over a first angular range and the excitation coil extends over a second angular range, which are designed as multiples of the unambiguous range. It applies here that the multiples are positive whole numbers and the second angular range is greater than the first angular range.
  • the strength of the inductive coupling between the excitation coil and the receiving system is influenced by a larger area of the rotor element, which increases the influence.
  • the geometry of the rotor element can be described by two circular paths with different radii around a center point, a first radius of a first of the two circular paths being smaller than a second radius of a second of the two circular paths and a section of an outer contour alternating and runs uniformly on the first or the second circular path and the ends of the sections are connected by a radial connection between the circular paths with the respective adjacent sections on the respective other circular path.
  • the resulting geometry of the rotor element corresponds to the outer contour of a rotor with a number of blades and gaps. It can therefore be provided that in each case the section on the circular path with the second radius forms a wing and in each case the section on the circular path with the first radius forms a gap.
  • the unambiguous range of the position sensor can be determined by the geometry of the rotor element. There is the possibility that the uniqueness range E can be determined according to the formula:
  • the number of blades of the rotor element is in many cases a fixed size due to other circumstances and is to be regarded as known for the design of the position sensor.
  • the uniqueness area can be determined directly if the number of blades is known.
  • the first receiving system has at least two, preferably two or three first conductor loops. Furthermore, it can be provided that the first conductor loops each form a uniformly repeating loop structure. It can particularly advantageously be provided that the winding direction of the first conductor loops of the uniformly repeating loop structure changes, an area being spanned by the change in the winding direction. By changing the winding direction, the integration path of the surfaces periodically spanned by the first conductor loops changes.
  • the magnetic field coupled into the first receiving system by the first rotor element leads to a signal voltage amplitude on the conductor loop that is proportional to the expression / B r dA, where B r is the magnetic field strength in the first conductor loop caused by the rotor element and A is the area spanned by the first conductor loop .
  • stator element and the evaluation circuit are arranged on a printed circuit board, the evaluation circuit being arranged inside the excitation coil and outside the conductor loops of the receiving system.
  • An arrangement as described offers the advantage that the leads from the excitation coil and receiving system do not cross, as would be the case if the evaluation unit were arranged outside the excitation coil. This avoids any further influencing of the signal coupled into the receiving system.
  • Another advantage can be that unused space on the circuit board is used, which contributes to a compact design of the inductive position sensor.
  • a second receiving system and / or a second evaluation circuit on the circuit board are arranged. It can be provided that the signal from the excitation coil is inductively coupled into the first and the second receiving system. There is also the possibility that a second excitation coil is arranged on the circuit board.
  • the inductive position sensor in particular a linear sensor
  • stator element which has an excitation coil to which a periodic alternating voltage is applied, as well as a receiving system, the signal of the excitation coil being inductively coupled into the receiving system
  • the position sensor has a uniqueness range E in which the length position can be clearly determined
  • the uniqueness area is understood to be the area in which a length position can be clearly determined by means of the position sensor.
  • This uniqueness range can theoretically be between 0 mm and 00 , but is naturally limited by the dimensions of the linear sensor. Since position sensors are used in a wide variety of locations, the unambiguous range that the sensor must clearly detect can be very different. However, the uniqueness range is and is specified by the boundary conditions of the system and can be used as an input variable when designing the position sensor.
  • the inductive position sensor With the inductive position sensor according to the invention, it is possible that the influence of the excitation coil on the voltage signals induced in the receiving system can be minimized if the length range over which the excitation coil and the receiving system extend are designed as a function of the uniqueness range.
  • the error in determining the length position can be minimized if the receiving system extends over a first length range and the excitation coil extends over a second length range, which are designed as multiples of the uniqueness range.
  • the rule here is that the multiples are positive integers and the second length range is greater than the first length range.
  • the strength of the inductive coupling between the excitation coil and the receiving system is influenced by a larger area of the coupling element, which increases the influence.
  • the shape of the coupling element is rectangular or rectangular, for example a metal strip with regularly distributed punchings.
  • the areas of the metal strip that remain filled with material can be referred to as cursors, similar to the blades on a rotor-shaped coupling element.
  • the unambiguous range of the position sensor can be determined by means of the resulting geometry of the coupling element.
  • the uniqueness area E can be determined as the sum of one of the regularly distributed punch-outs and a cursor.
  • the first receiving system has at least two, preferably two or three first conductor loops. Furthermore, it can be provided that the first conductor loops each form a uniformly repeating loop structure. It can particularly advantageously be provided that changes the winding direction of the first conductor loops of the uniformly repeating loop structure, an area being spanned by the change in the winding direction. By changing the winding direction, the integration path of the surfaces periodically spanned by the first conductor loops changes.
  • the magnetic field coupled into the first receiving system by the first coupling element leads to a signal voltage amplitude on the conductor loop that is proportional to the expression / B t dA, where B t is the magnetic field strength in the first conductor loop caused by the coupling element and A is the area spanned by the first conductor loop .
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an inductive position sensor.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a stator element
  • An inductive position sensor 1 which is constructed in accordance with a preferred exemplary embodiment of the present invention, comprises a printed circuit board 9 on which a stator element 2 is arranged.
  • the inductive position sensor 1 comprises a rotor element 5.
  • the rotor element 5 is arranged so as to be rotatable relative to the printed circuit board 9.
  • the sections on the outer radius of the rotor element 5 can be seen. These can be assumed to be blades 7.
  • the sections on the inner radius of the rotor element 5 can be assumed to be the gap 8.
  • a wing 8 and a gap 9 each define the uniqueness area E of the position sensor 1.
  • the uniqueness area E is understood to be the area in which the Position sensor 1 an angle can be clearly determined.
  • the uniqueness of the position sensor can be calculated using the formula
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the stator element 2 from FIG. 1.
  • the stator element which comprises an excitation coil 3 and a receiving system 4, is arranged on the side of the printed circuit board 9 facing the rotor element 5.
  • the actual shape of the printed circuit board 9 will be adapted to the shape of the stator element 2.
  • the receiving system 4 comprises two first conductor loops 4a, 4b.
  • the first conductor loops 4a, 4b form a periodically repeating loop structure which spans an area by changing the winding direction.
  • the inductive position sensor 1 has an oscillator circuit, not explicitly shown here, which generates a periodic alternating voltage signal during the operation of the inductive position sensor 1, with which the first excitation coil 3 is fed. Rotating the rotor element 5 influences the strength of the inductive coupling between the excitation coil 3 and the receiving system 4.
  • the angle between the rotor element 5 and the receiving system 4 can be determined.
  • This angle is of increasing importance for many applications, in particular in a motor vehicle.
  • the excitation coil 3 and the receiving system 4 must extend at least over this angular range of the sensor 1.
  • the end regions of the excitation coil 3 influence the excitation coil 3 on the signals coupled into the receiving system 4. This influence is undesirable because it leads to an error when determining the angle can.
  • both the excitation coil 3 and the receiving system 4 are an integral multiple larger than the uniqueness range E.
  • the multiple can also be 1, which means that the receiving system 4 would be just as large as the uniqueness range E.
  • a prerequisite is that the excitation coil 3 must always be larger than the receiving system 4.
  • the angular range over which the receiving system 4 extends corresponds to the uniqueness range E and the angular range over which the excitation coil 3 extends to Factor 2 larger.
  • the inductive position sensor 1 also has an evaluation circuit 6 for determining the angular position of the rotor element 5 relative to the stator element 2 from the signals coupled into the receiving system 4.
  • the evaluation circuit 6 is arranged inside the excitation coil 3 and outside the conductor loops 4a, 4b of the receiving system 4. Such an arrangement offers the advantage that unused space on the circuit board 9 can be optimally used. If the evaluation circuit 6 is outside the excitation coil 3, the required size of the printed circuit board 9 is larger, which increases the costs for this.
  • the 3 shows a graphical representation of the error to be expected in determining the angle due to the influence of the excitation coil 3 on the signals coupled into the receiving system 4, for different sizes of the excitation coil 3.
  • the percentage error of the sensor against the specific angle is plotted here of the inductive position sensor.
  • the receiving system 4 is just as large as the uniqueness area E of the sensor.
  • the illustration shows a simulation of the error to be expected. It can be seen that the error becomes minimal for integer values of m.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor (1), insbesondere einen Segmentsensor, - mit einem Statorelement (2), welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (3), sowie ein Empfangssystem (4) aufweist, wobei das Signal der Erregerspule (3) in das Empfangssystem (4) induktiv einkoppelt, - mit einem Rotorelement (5), welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (3) und Empfangssystem (4) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement (2) beeinflusst, - mit einer Auswerteschaltung (6) zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes (5) relativ zum Statorelement (2) aus den in das Empfangssystem (4) induzierten Spannungssignalen, wobei - der Positionssensor (1) einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Winkelposition eindeutig bestimmbar ist, - sich das Empfangssystem (4) über einen ersten Winkelbereich erstreckt, wobei der erste Winkelbereich N 1 = n * E mit n ≥ 1 ist, - sich die Erregerspule (3) über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, wobei der zweite Winkelbereich N 2 = m * E mit m ≥ 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.

Description

INDUKTIVER POSITIONSSENSOR
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen induktiven Positionssensor, insbesondere ein Segmentsensor, mit einem Statorelement, welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule, sowie ein Empfangssystem aufweist, wobei das Signal der Erregerspule in das Empfangssystem induktiv einkoppelt, mit einem Rotorelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement beeinflusst und mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes relativ zum Statorelement aus den in das Empfangssystem induzierten Spannungssignalen.
Induktive Positionssensoren werden in modernen Kraftfahrzeugen in unterschiedlichsten Anwendungen mit einer Vielzahl von Randbedingungen eingesetzt. Insbesondere kommen induktive Positionssensoren dort zum Einsatz, wo eine Winkelstellung eines Rotors erfasst werden soll, um eine präzise Steuerung zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise an einer Lenksäule, einem Bremssystem oder einem Antrieb für Kraftfahrzeuge, besonders Elektro- und Hybridfahrzeuge, notwendig sein.
Bei bekannten induktiven Positionssensoren werden üblicherweise Systeme eingesetzt, die einen bestimmten Winkelbereich erfassen können. Dies ist für die meisten Einsatzgebiete ausreichend. Durch eine Einschränkung der Winkelerfassung auf einen bestimmten Bereich können Kosten gespart werden gegenüber einer Winkelerfassung über den gesamten möglichen Winkelbereich, beispielsweise bei einem voll-rotatorischen Sensor 360°. Diese Positionssensoren sind als Segmentsensoren aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Auslegung dieser Positionssensoren wurde bislang häufig die Erregerspule ähnlich groß ausgelegt wie das Empfangssystem, um eine möglichst kleine Bauform des induktiven Positionssensors zu erreichen. Dies kann insbesondere bei Segment- und Linearsensoren zu einem störenden Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale führen und die Winkelbestimmung beeinträchtigen. Soll der Einfluss der Erregerspule möglichst klein sein, bedeutet dies, dass die Erregerspule möglichst groß gegenüber dem Empfangssystem sein musste. Bei der Auslegung der Positionssensoren wurde bislang versucht in einer Mehrzahl von Auslegungsschritten ein Optimum zwischen einer Minimierung der Größe des Positionssensors und einer Minimierung des Einflusses der Erregerspule auf das Empfangssystem zu erreichen. Diese Auslegungsschritte kosten Zeit und Entwicklungsaufwand und erhöhen die Kosten. Ebenso ist durch die iterativen Auslegungsschritte nicht automatisch sicher, dass ein Optimum an Lösung gefunden wurde.
An diesem Punkt setzt die Erfindung an.
Der Erfindung lag das Problem zu Grunde die bekannten Positionssensoren, insbesondere Segmentsensoren so zu verbessern, dass der Fehler bei der Bestimmung des Winkels minimiert wird und gleichzeitig eine möglichst kleine Baugröße realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Positionssensor einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Winkelposition eindeutig bestimmbar ist, sich das Empfangssystem über einen ersten Winkelbereich erstreckt, wobei der erste Winkelbereich N1 = n * E mit n > 1 ist und sich die Erregerspule über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, wobei der zweite Winkelbereich N2 = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.
Als Eindeutigkeitsbereich wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors ein Winkel eindeutig bestimmt werden kann. Dieser Eindeutigkeitsbereich kann zwischen 0° und 360° liegen. Da Positionssensoren an unterschiedlichsten Stellen eingesetzt werden, kann der Eindeutigkeitsbereich, den der Sensor eindeutig erfassen muss, stark unterschiedlich sein. Der Eindeutigkeitsbereich ist aber und wird durch die Randbedingungen des Systems vorgegeben und kann als Eingangsgröße bei der Auslegung des Positionssensors genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor ist es möglich, dass sich der Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale minimieren lässt, wenn der Winkelbereich über den sich die Erregerspule und das Empfangssystem erstrecken in Abhängigkeit des Eindeutigkeitsbereichs ausgelegt werden.
Mittels Simulation konnte gezeigt werden, dass eine Minimierung des Fehlers bei der Bestimmung des Winkels erreicht werden kann, wenn sich das Empfangssystem über einen ersten Winkelbereich erstreckt und die Erregerspule über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, die als Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs ausgeführt werden. Hierbei gilt, dass die Vielfachen positive ganze Zahlen sind und der zweite Winkelbereich größer ist als der erste Winkelbereich.
Es kann vorgesehen sein, dass m > n + 1, vorzugsweise m = n + 1 ist. Um eine Minimierung des Fehlers zu erreichen, kann der zweite Winkelbereich jedes Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs sein, der größer ist als der erste Winkelbereich. Dies würde aber dem Wunsch entgegenstehen, dass eine möglichst kompakte Bauform des Positionssensors realisiert werden soll. Es ist daher vorzugsweise eine Möglichkeit, dass der zweite Winkelbereich ein Vielfaches des Eindeutigkeitsbereichs ist, welches genau um 1 größer ist als das Vielfache mit dem der erste Winkelbereich ausgelegt wird. Die kleinsten Winkelbereiche, die diesen Anforderungen entsprechen, sind demnach, wenn der erste Winkelbereich mit dem Eindeutigkeitsbereich übereinstimmt, dies entspricht n = 1 und der zweite Winkelbereich dem doppelten Eindeutigkeitsbereich entspricht mit m = 2.
Ist eine höhere Signalstärke des in das Empfangssystem eingekoppelte Signal gewünscht, kann es vorgesehen sein, dass der erste Winkelbereich mit n = 2 ausgelegt wird. In diesem Fall wird die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem durch einen größeren Bereich des Rotorelementes beeinflusst, was die Beeinflussung verstärkt. Der kleinste mögliche zweite Winkelbereich wäre in diesem Fall, dass m = 3 gewählt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Geometrie des Rotorelementes durch jeweils zwei Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien um einen Mittelpunkt beschrieben werden kann, wobei ein erster Radius einer ersten der beiden Kreisbahnen kleiner als ein zweiter Radius einer zweiten der beiden Kreisbahnen ist und ein Abschnitt einer Außenkontur abwechselnd und gleichmäßig auf der ersten oder der zweiten Kreisbahn verläuft und die Enden der Abschnitte durch eine radiale Verbindung zwischen den Kreisbahnen mit den jeweils benachbarten Abschnitten auf der jeweils anderen Kreisbahn verbunden sind.
Die sich hierdurch ergebende Geometrie des Rotorelementes entspricht der äußeren Kontur eines Rotors mit einer Anzahl an Flügeln und Lücken. Es kann daher vorgesehen sein, dass jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem zweiten Radius einen Flügel und jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem ersten Radius eine Lücke bildet. Durch die Geometrie des Rotorelementes kann der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors bestimmt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Eindeutigkeitsbereich E bestimmbar ist nach der Formel:
E _ = 360°
Unzahl der Flügel des Rotorelementes·
Die Anzahl der Flügel des Rotorelementes ist in vielen Fällen durch anderen Gegebenheiten eine festgelegte Größe und für die Auslegung des Positionssensors als bekannt anzusehen. Durch die angegebene Beziehung zwischen Anzahl der Flügel des Rotorelementes und dem Eindeutigkeitsbereich, kann bei einer bekannten Anzahl der Flügel der Eindeutigkeitsbereich direkt bestimmt werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass das erste Empfangssystem mindestens zwei, bevorzugt zwei oder drei erste Leiterschleifen aufweist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die ersten Leiterschleifen jeweils eine sich gleichmäßig wiederholende Schleifenstruktur ausbilden. Besonders vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass sich die Windungsrichtung der ersten Leiterschleifen der gleichmäßig wiederholenden Schleifenstruktur ändert, wobei durch die Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufgespannt wird. Durch die Änderung der Windungsrichtung ändert sich der Integrationsweg der von den ersten Leiterschleifen periodisch aufgespannten Flächen. Das von dem ersten Rotorelement in das erste Empfangssystem eingekoppelte Magnetfeld führt zu einer Signalspannungsamplitude an der Leiterschleife die proportional dem Ausdruck / BrdA ist, wobei Br die vom Rotorelement hervorgerufene Magnetfeldstärke in der ersten Leiterschleife und A die von der ersten Leiterschleife aufgespannte Fläche ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Statorelement und die Auswerteschaltung auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Auswerteschaltung innerhalb der Erregerspule und außerhalb der Leiterschleifen des Empfangssystems angeordnet ist. Eine Anordnung wie beschrieben bietet den Vorteil, dass die Zuleitungen von Erregerspule und Empfangssystem sich nicht kreuzen, wie es bei einer Anordnung der Auswerteeinheit außerhalb der Erregerspule der Fall wäre. Hierdurch wird eine weitere Beeinflussung des in das Empfangssystem eingekoppelten Signals vermieden. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass ungenutzter Platz auf der Leiterplatte genutzt wird, was zu einer kompakten Bauform des induktiven Positionssensors beiträgt.
Um die Redundanz des Systems zu erhöhen kann es vorgesehen sein, dass auf der Leiterplatte ein zweites Empfangssystem und/oder eine zweite Auswerteschaltung angeordnet sind. Es kann vorgesehen sein, dass das Signal der Erregerspule in das erste und das zweite Empfangssystem induktiv einkoppelt. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass auf der Leiterplatte eine zweite Erregerspule angeordnet ist.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem und dessen erfindungsgemäßen Lösung wurden bislang am Beispiel eines Segmentsensors mit einem Rotorelement als induktives Koppelelement erläutert. Die Problemstellung und die Lösung sind für den Linearwegsensor jedoch vollständig analog. Linearsensoren kommen in modernen Kraftfahrzeugen dort zum Einsatz, wo eine Längenposition eines Koppelelementes erfasst werden soll, um eine präzise Steuerung zu ermöglichen.
Es kann vorgesehen sein, dass der induktive Positionssensor, insbesondere ein Linearsensor ist,
- mit einem Statorelement, welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule, sowie ein Empfangssystem aufweist, wobei das Signal der Erregerspule in das Empfangssystem induktiv einkoppelt,
- mit einem Koppelelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem in Abhängigkeit seiner Linearposition relativ zum Statorelement beeinflusst,
- mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Linearposition des Koppelelementes relativ zum Statorelement aus den in das Empfangssystem induzierten Spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Positionssensor einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Längenposition eindeutig bestimmbar ist,
- sich das Empfangssystem über einen ersten Längenbereich erstreckt, wobei der erste Längenbereich L1 = n * E mit n > 1 ist,
- sich die Erregerspule über einen zweiten Längenbereich erstreckt, wobei der zweite Längenbereich L2 = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.
Als Eindeutigkeitsbereich wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors eine Längenposition eindeutig bestimmt werden kann. Dieser Eindeutigkeitsbereich kann theoretisch zwischen 0 mm und 00 liegen, ist aber naturgemäß durch die Abmessungen des Linearsensors begrenzt. Da Positionssensoren an unterschiedlichsten Stellen eingesetzt werden, kann der Eindeutigkeitsbereich, den der Sensor eindeutig erfassen muss, stark unterschiedlich sein. Der Eindeutigkeitsbereich ist aber und wird durch die Randbedingungen des Systems vorgegeben und kann als Eingangsgröße bei der Auslegung des Positionssensors genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Positionssensor ist es möglich, dass sich der Einfluss der Erregerspule auf die in das Empfangssystem induzierten Spannungssignale minimieren lässt, wenn der Längenbereich über den sich die Erregerspule und das Empfangssystem erstrecken in Abhängigkeit des Eindeutigkeitsbereichs ausgelegt werden.
Analog zu den Simulationsergebnissen wird vermutet, dass eine Minimierung des Fehlers bei der Bestimmung der Längenposition erreicht werden kann, wenn sich das Empfangssystem über einen ersten Längenbereich erstreckt und die Erregerspule über einen zweiten Längenbereich erstreckt, die als Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs ausgeführt werden. Hierbei gilt, dass die Vielfachen positive ganze Zahlen sind und der zweite Längenbereich größer ist als der erste Längenbereich.
Es kann vorgesehen sein, dass m > n + 1, vorzugsweise m = n + 1 ist. Um eine Minimierung des Fehlers zu erreichen, kann der zweite Längenbereich jedes Vielfache des Eindeutigkeitsbereichs sein, der größer ist als der erste Längenbereich. Dies würde aber dem Wunsch entgegenstehen, dass eine möglichst kompakte Bauform des Positionssensors realisiert werden soll. Es ist daher vorzugsweise eine Möglichkeit, dass der zweite Längenbereich ein Vielfaches des Eindeutigkeitsbereichs ist, welches genau um 1 größer ist als das Vielfache mit dem der erste Längenbereich ausgelegt wird. Die kleinsten Längenbereiche, die diesen Anforderungen entsprechen, sind demnach, wenn der erste Längenbereich mit dem Eindeutigkeitsbereich übereinstimmt, dies entspricht n = 1 und der zweite Längenbereich dem doppelten Eindeutigkeitsbereich entspricht mit m = 2.
Ist eine höhere Signalstärke des in das Empfangssystem eingekoppelte Signal gewünscht, kann es vorgesehen sein, dass der erste Längenbereich mit n = 2 ausgelegt wird. In diesem Fall wird die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule und Empfangssystem durch einen größeren Bereich des Koppelelementes beeinflusst, was die Beeinflussung verstärkt. Der kleinste mögliche zweite Längenbereich wäre in diesem Fall, dass m = 3 gewählt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Form des Koppelelementes rechteckartig oder rechteckig ist, beispielsweise ein Metallstreifen mit regelmäßig verteilten Ausstanzungen. Die Bereiche des Metallstreifens, die mit Material gefüllt bleiben, können als Cursor bezeichnet werden, ähnlich den Flügeln bei einem rotorförmigen Koppelelement.
Mittels der sich hierdurch ergebenden Geometrie des Koppelelementes kann der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors bestimmt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Eindeutigkeitsbereich E bestimmbar ist als Summe einer der regelmäßig verteilten Ausstanzungen und einem Cursor.
Es besteht die Möglichkeit, dass das erste Empfangssystem mindestens zwei, bevorzugt zwei oder drei erste Leiterschleifen aufweist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die ersten Leiterschleifen jeweils eine sich gleichmäßig wiederholende Schleifenstruktur ausbilden. Besonders vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass sich die Windungsrichtung der ersten Leiterschleifen der gleichmäßig wiederholenden Schleifenstruktur ändert, wobei durch die Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufgespannt wird. Durch die Änderung der Windungsrichtung ändert sich der Integrationsweg der von den ersten Leiterschleifen periodisch aufgespannten Flächen. Das von dem ersten Koppelelement in das erste Empfangssystem eingekoppelte Magnetfeld führt zu einer Signalspannungsamplitude an der Leiterschleife die proportional dem Ausdruck / BtdA ist, wobei Bt die vom Koppelelement hervorgerufene Magnetfeldstärke in der ersten Leiterschleife und A die von der ersten Leiterschleife aufgespannte Fläche ist.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines induktiven Positionssensors Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Statorelementes Fig. 3 graphische Darstellung des Fehlers bei der Bestimmung des Winkels für unterschiedliche Verhältnisse des Empfangssystems zu der Erregerspule
Ein induktiver Positionssensor 1 , der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst eine Leiterplatte 9 auf der ein Statorelement 2 angeordnet ist.
Weiterhin umfasst der induktive Positionssensor 1 ein Rotorelement 5. Das Rotorelement 5 ist relativ zur Leiterplatte 9 drehbar angeordnet. Erkennbar sind die Abschnitte am äußeren Radius des Rotorelementes 5. Diese können als Flügel 7 angenommen werden. Die Abschnitte am inneren Radius des Rotorelementes 5 können als Lücke 8 angenommen werden. Hierbei definieren jeweils ein Flügel 8 und eine Lücke 9 den Eindeutigkeitsbereich E des Positionssensors 1. Als Eindeutigkeitsbereich E wird der Bereich verstanden, in dem mittels des Positionssensors 1 ein Winkel eindeutig bestimmt werden kann. Berechenbar ist der Eindeutigkeitsbereich des Positionssensors nach der Formel
E = 360 Unzahl der Flügel des Rotorelementes 5
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Statorelementes 2 aus Fig. 1. Das Statorelement, welches eine Erregerspule 3 sowie ein Empfangssystem 4 umfasst, ist auf der dem Rotorelement 5 zugewandten Seite der Leiterplatte 9 angeordnet. Die Leiterplatte 9 wird in ihrer tatsächlichen Formgebung der Form des Statorelementes 2 angepasst werden. Das Empfangssystem 4 umfasst zwei erste Leiterschleifen 4a, 4b. Die ersten Leiterschleifen 4a, 4b bilden eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aus, welche durch eine Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufspannen.
Der induktive Positionssensor 1 weist eine hier nicht explizit dargestellte Oszillatorschaltung auf, die während des Betriebs des induktiven Positionssensors 1 ein periodisches Wechselspannungssignal erzeugt, mit dem die erste Erregerspule 3 gespeist wird. Das Rotorelement 5 beeinflusst bei seiner Verdrehung die Stärke der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule 3 und dem Empfangssystem 4.
Durch die Beeinflussung der Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule 3 und Empfangssystem 4 durch das Rotorelement 5 in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zu dem Statorelement 2, kann der Winkel zwischen Rotorelement 5 und Empfangssystem 4 bestimmt werden. Dieser Winkel ist für viele Anwendungen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug von immer größer werdender Bedeutung. Um den Winkel innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs E des Sensors bestimmen zu können, muss sich die Erregerspule 3 und das Empfangssystem 4 mindestens über diesen Winkelbereich des Sensors 1 erstrecken. Durch die Endbereiche der Erregerspule 3 kommt es zu einer Beeinflussung der Erregerspule 3 auf die in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signale. Diese Beeinflussung ist unerwünscht, da es damit zu einem Fehler bei der Bestimmung des Winkels kommen kann. Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit das Verhältnis von Erregerspule 3 und Empfangssystem 4 optimal auszulegen und den Fehler zu minimieren. Flierzu ist es möglich, dass sowohl Erregerspule 3 als auch Empfangssystem 4 um ein ganzzahliges Vielfaches größer sind als der Eindeutigkeitsbereich E. Für das Empfangssystem 4 gilt, dass das Vielfache auch 1 sein kann, womit das Empfangssystem 4 genauso groß wäre, wie der Eindeutigkeitsbereich E. Weiterhin ist eine Voraussetzung, dass die Erregerspule 3 immer größer sein muss als das Empfangssystem 4. Im vorliegenden Fall entspricht der Winkelbereich, über den sich das Empfangssystem 4 erstreckt dem Eindeutigkeitsbereich E und der Winkelbereich, über den sich die Erregerspule 3 erstreckt ist um den Faktor 2 größer.
Der induktive Positionssensor 1 weist weiterhin eine Auswerteschaltung 6 zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes 5 relativ zum Statorelement 2 aus den in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signalen auf. Die Auswerteschaltung 6 ist innerhalb der Erregerspule 3 und außerhalb den Leiterschleifen 4a, 4b des Empfangssystems 4 angeordnet. Eine derartige Anordnung bietet den Vorteil, dass ungenutzter Platz auf der Leiterplatte 9 optimal genutzt werden kann. Liegt die Auswerteschaltung 6 außerhalb der Erregerspule 3 ist die benötigte Größe der Leiterplatte 9 größer, was die Kosten für diese erhöht.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des zu erwartenden Fehlers bei der Bestimmung des Winkels durch den Einfluss der Erregerspule 3 auf die in das Empfangssystem 4 eingekoppelten Signale, für unterschiedliche Größen der Erregerspule 3. Aufgetragen ist hier der prozentuale Fehler des Sensors gegen den bestimmten Winkel des induktiven Positionssensors. Das Empfangssystem 4 ist in diesem Fall genauso groß wie der Eindeutigkeitsbereich E des Sensors. Die Darstellung zeigt eine Simulation des zu erwartenden Fehlers. Es ist erkennbar, dass der Fehler für ganzzahlige Werte von m minimal wird. Die Graphik zeigt die Minima für m= 2 und m = 3. Es ist eine Weiterführung der Graphik möglich, die für alle ganzzahligen m ein Minimum zeigt. Aus der Graphik folgt, dass der Fehler bei der Bestimmung des Winkels, der durch den Einfluss der Erregerspule 3 auf das in das Empfangssystem 4 eingekoppelte Signal entsteht, durch die Auslegung der Erregerspule 3 und des Empfangssystems 4 im Verhältnis zum Eindeutigkeitsbereich E des Sensors minimiert werden kann. Ganz besonders vorteilhaft an dieser mathematischen Beziehung ist die Tatsache, dass bei bekanntem Eindeutigkeitsbereich E des Sensors, welcher durch die Geometrie des Rotorelementes 5 festgelegt ist, sofort die Auslegung der Erregerspule 3 und des Empfangssystems 4 erfolgen kann. Dies kann den Entwicklungsaufwand vermindern und optimale Ergebnisse sichern.
Bezugszeichenliste
1 induktiver Positionssensor
2 Statorelement
3 Erregerspule
4 Empfangssystem 4a, 4b erste Leiterschleifen
5 Rotorelement
6 Auswerteeinheit
7 Flügel
8 Lücke
9 Leiterplatte
E Eindeutigkeitsbereich des Sensors

Claims

Patentansprüche
1. Induktiven Positionssensor (1), insbesondere ein Segmentsensor,
- mit einem Statorelement (2), welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (3), sowie ein Empfangssystem (4) aufweist, wobei das Signal der Erregerspule (3) in das Empfangssystem (4) induktiv einkoppelt,
- mit einem Rotorelement (5), welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (3) und Empfangssystem (4) in Abhängigkeit seiner Winkelposition relativ zum Statorelement (2) beeinflusst,
- mit einer Auswerteschaltung (6) zur Bestimmung der Winkelposition des Rotorelementes (5) relativ zum Statorelement (2) aus den in das Empfangssystem (4) induzierten Spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Positionssensor (1) einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Winkelposition eindeutig bestimmbar ist,
- sich das Empfangssystem (4) über einen ersten Winkelbereich erstreckt, wobei der erste Winkelbereich N1 = n * E mit n > 1 ist,
- sich die Erregerspule (3) über einen zweiten Winkelbereich erstreckt, wobei der zweite Winkelbereich N2 = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.
2. Induktiver Positionssensor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass m > n + 1, vorzugsweise m = n + 1.
3. Induktiver Positionssensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Rotorelementes (5) durch jeweils zwei Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien um einen Mittelpunkt beschrieben werden kann, wobei ein erster Radius einer ersten der beiden Kreisbahnen kleiner als ein zweiter Radius einer zweiten der beiden Kreisbahnen ist und ein Abschnitt einer Außenkontur abwechselnd und gleichmäßig auf der ersten oder der zweiten Kreisbahn verläuft und die Enden der Abschnitte durch eine radiale Verbindung zwischen den Kreisbahnen mit den jeweils benachbarten Abschnitten auf der jeweils anderen Kreisbahn verbunden sind.
4. Induktiver Positionssensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem zweiten Radius einen Flügel (7) und jeweils der Abschnitt auf der Kreisbahn mit dem ersten Radius eine Lücke (8) bildet.
5. Induktiver Positionssensor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindeutigkeitsbereich E bestimmbar ist nach der Formel
E = 360 Unzahl der Flügel des Rotorelementes (5)'
6. Induktiver Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssystem (4) mindestens zwei, bevorzugt zwei oder drei erste Leiterschleifen (4a, 4b) aufweist.
7. Induktiver Positionssensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Leiterschleifen (4a, 4b) jeweils eine sich gleichmäßig wiederholende Schleifenstruktur ausbilden.
8. Induktiver Positionssensor (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsrichtung der ersten Leiterschleifen (4a, 4b) der gleichmäßig wiederholenden Schleifenstruktur ändert, wobei durch die Änderung der Windungsrichtung eine Fläche aufgespannt wird.
9. Induktiver Positionssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorelement (2) und die Auswerteschaltung (6) auf einer Leiterplatte (9) angeordnet sind, wobei die Auswerteschaltung (6) innerhalb der Erregerspule (3) und außerhalb der Leiterschleifen (4a, 4b) des Empfangssystems (4) angeordnet ist.
10. Induktiven Positionssensor (1), insbesondere ein Linearsensor,
- mit einem Statorelement (2), welches eine mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule (3), sowie ein Empfangssystem (4) aufweist, wobei das Signal der Erregerspule (3) in das Empfangssystem (4) induktiv einkoppelt,
- mit einem Koppelelement, welches die Stärke der induktiven Kopplung zwischen Erregerspule (3) und Empfangssystem (4) in Abhängigkeit seiner Linearposition relativ zum Statorelement (2) beeinflusst,
- mit einer Auswerteschaltung (6) zur Bestimmung der Linearposition des Koppelelementes relativ zum Statorelement (2) aus den in das Empfangssystem (4) induzierten Spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Positionssensor (1) einen Eindeutigkeitsbereich E aufweist, in dem die Längenposition eindeutig bestimmbar ist,
- sich das Empfangssystem (4) über einen ersten Längenbereich erstreckt, wobei der erste Längenbereich L1 = n * E mit n > 1 ist,
- sich die Erregerspule (3) über einen zweiten Längenbereich erstreckt, wobei der zweite Längenbereich L2 = m * E mit m > 2 ist, wobei m und n positive ganze Zahlen sind und m > n ist.
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