DE10132666C2 - Positionssensor eines Ventils - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positionssensor eines ei­ nen Ventilschaft aufweisenden Ventils eines Verbrennungsmotors mit wenigstens zwei mit einer Wechselspannung beaufschlagten Induktivitäten, die in Reihe mit jeweiligen Kapazitäten und parallel zueinander geschaltet sind, und deren Ver­ stimmung mittels einer Auswerteschaltung gemessen und ausgewertet wird.

Bekannt sind Positionssensoren, die mit Hilfe einer induktiven Anordnung die Stellung des Ventils ermitteln können. Ein derartiger Positionssensor geht bei­ spielsweise aus der DE 196 12 835 A1 hervor. Dort ist ein Lage- oder Wegsensor zur Erfassung einer Ventilstellung beschrieben, der einen Kolben in einem Druck­ rohr aus unmagnetischem Material im Einflussbereich zweier auf das Druckrohr aufgesteckter Spulen aufweist. Die beiden Spulen mit entsprechenden Kapazitä­ ten sind dabei zu einem Schaltkreis 2. Ordnung zusammengeschaltet und mit ei­ ner Wechselspannung beaufschlagt. Die Position des Ventils wird dabei anhand einer Messung der durch eine Lageänderung des Kolbens hervorgerufenen Ver­ stimmung der induktiven Anordnung mittels einer Auswerteschaltung bestimmt. Beim Einsatz eines solchen Positionssensors in einem Verbrennungsmotor zur Erfassung der Stellung eines elektrisch angetriebenen Ventils (EVT-Technik) soll er geringen Platzanforderungen entsprechen. Die aus dem Stand der Technik be­ kannte Lösung mit konventionell gewickelten Spulen nimmt relativ viel Platz in An­ spruch und ist sehr aufwendig bei der Herstellung. Ein weiterer Nachteil der exis­ tierenden Lösungen für Positionssensoren von Ventilen liegt in einer konstruktionsbedingten Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen, was weitere Schutz­ maßnahmen gegen die Störungen voraussetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionssensor eines Ventils bereitzustellen, der eine kleine Bauhöhe hat, ein geringes Gewicht aufweist und einen erhöhten Schutz gegen elektromagnetische Störungen gewährleistet.

Der erfindungsgemäße Positionssensor umfasst wenigstens zwei mit einer Wechselspannung beaufschlagte Induktivitäten, die in Reihe mit jeweiligen Kapa­ zitäten und parallel zueinander geschaltet sind, und deren Verstimmung mittels einer Auswerteschaltung gemessen und ausgewertet wird, wobei die Induktivitäten als Multilayerspulen aufgebaut sind, deren induktive Eigenschaften jeweils durch wenigstens einen auf dem Ventilschaft angebrachten Geber beeinflussbar sind. Somit kann der erfindungsgemäße Positionssensor auf einer Multilayerplatte auf­ gebaut werden, was eine extrem flache Bauweise und eine Möglichkeit den Ferti­ gungsprozess lediglich in einem technologischen Schritt durchzuführen bietet. Ei­ ne kleine Bauhöhe des Positionssensors lässt sich u. a. dadurch erreichen, dass die als Multilayerspulen aufgebauten Induktivitäten durch eine elektromagnetisch abschirmende Schicht voneinander elektromagnetisch entkoppelt sind. Aufgrund der Tatsache, dass die Multilayerspulen voneinander durch eine dafür vorgesehe­ ne Schicht abgeschirmt sind, während eine Außenabschirmung dadurch erreicht wird, dass die Geberplatinen sich außerhalb des Multilayeraufbaus befinden, ent­ fällt bei dieser Lösung eine weitere Abschirmung von magnetischen Störungen.

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass beliebig viele Posi­ tionssensoren auf einer Platine plaziert werden können, womit ein kostengünstiger Aufbau bei einer Massenproduktion gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Positionssensor nach Anspruch 1 gelöst.

Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale und Weiterbildungen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, die die soeben angesprochenen Vorteile weiter unterstützen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Positionssensors,

Fig. 2 einen Positionssensor im vertikalen Schnitt,

Fig. 3 eine Positionssensorvorrichtung, die vier Sensoren aufweist,

Fig. 4a eine Seitenansicht der in Fig. 3 dargestellten Positionssensorvorrich­ tung,

Fig. 4b eine Draufsicht der in Fig. 3 dargestellten Positionssensorvorrichtung, und

Fig. 5 eine Positionssensorvorrichtung mit Positionssensoren in vier Gruppen für je vier Ventile.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Positionssensors, dessen elektrische Komponenten zwei Multilayerspulen 1 und 2 aufweisen, die in Reihe mit den je­ weiligen Kapazitäten 3 und 4 und parallel zueinander geschaltet sind. Jeweils ein Anschluss der Spulen 1 und 2 ist mit einer Spannungsquelle 5 verbunden, die eine periodische Wechselspannung bereitstellt. Das andere Ende der Spulen 1 und 2, das jeweils mit Kondensatoren 3 und 4 kontaktiert, ist an eine Auswerteschaltung geführt, in die auch das Referenzsignal der Wechselspannungsquelle 5 einge­ speist wird. Die Auswerteschaltung 6 wandelt dabei eine durch eine Induktivitäts­ änderung der Spulen 1 und 2 bewirkte Phasenverschiebung in ein Spannungssig­ nal um. Die Auswerteschaltung 6 kann dabei in Form eines analog integrierten Bausteins (ASIC) angefertigt werden, was ein weiterer kostensenkender Faktor bei der Produktion des erfindungsgemäßen Positionsmessers darstellt. Die Aus­ werteschaltung 6 verwendet dabei die differenzierte Phasenänderung zwischen den beiden durch die Spule 1, den Kondensator 3 und entsprechend Spule 2 und Kondensator 4 gebildeten Brückenzweige. Durch diese Technik lassen sich systematische Drifts der Kenngrößen bzw. erhöhte Toleranzen bei der Anfertigung des Positionsmessers gegenseitig kompensieren.

Fig. 2 zeigt die Schnittansicht des erfindungsgemäßen Positionssensors mit auf einem Ventilschaft 13 befestigten Geberplatten 7 und 8, die außerhalb der Spulen 1 und 2 angeordnet sind. Die Spule 1 ist dabei basierend auf der Multi­ layertechnik in einer Hauptplatine 9 integriert. Die Spule 2 ist ebenfalls als eine Multilayerspule aufgebaut und mittels Halterungsstiften 15 auf der Hauptplatine 9 über einer Plastoferritschicht 11 befestigt, so dass die Multilayerspulen 1 und 2 und die Plastoferritschicht 11 eine Sandwichstruktur bilden. Durch das Vorhan­ densein der Plastoferritschicht 11 ist eine elektromagnetische Entkoppelung der Spulen 1 und 2 erreicht, was eine platzsparende Anordnung der Spulen 1 und 2 in unmittelbarer Nähe voneinander möglich macht. Eine weitere Funktion der Plasto­ ferritschicht 11 ist es, eine Wechselwirkung der Geber 7 und 8 mit den gegenü­ berliegenden Spulen 2, bzw. 1 zu minimieren.

Während des Betriebs eines Brennkraftmotors (nicht gezeigt) verschiebt sich der Ventilkörper 12 entlang seines Ventilschafts 13 auf- und absteigend. Die auf dem Ventilschaft 13 befestigten Geberplatten 7 und 8 nähern sich oder entfernen sich von den jeweiligen Spulen 1 und 2. Da die Geber 7 und 8 aus einem leitfähi­ gen Material bestehen, beeinflussen diese die Änderung der Induktivität der ent­ sprechenden Spule. Somit werden die durch die Spulen mit den zugehörigen Ka­ pazitäten gebildeten Resonanzkreise verstimmt, was eine Phasenverschiebung der beiden Resonanzkreise zur Folge hat. Die Phasenverschiebung der an diesen beiden Resonanzkreisen abgenommenen Spannungen zueinander ist ein Maß für die Stellung des Ventils 12 relativ zu den Spulen 1 und 2.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Positionssensorvorrichtung, die aus vier erfindungsgemäßen Positionssensoren besteht. Alle vier Positions­ sensoren lassen sich auf einer Hauptplatine (9) positionieren. Vorteilhaft ist dabei die Tatsache, dass eine Gruppe für je vier Ventile (12), die z. B. für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, auf einer Platine in einem technologischen Schritt gebaut werden können, was eine wesentliche Reduzierung der Bau­ teile, die für den Zusammenbau und das Zusammenhalten solch einer Ventil­ gruppe notwendig sind, bedeutet.

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht der in Fig. 3 dargestellten Positionssensorvorrichtung. Daraus wird ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Positionssensorvorrichtung ersichtlich, bei dem die Wechsel­ spannungsquelle 5 und die Auswerteschaltung 6 platzsparend auf der gleichen Hauptplatine 9 in der mittleren Position zwischen den Ventilen 12 angebracht sind.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Positionssensorvorrichtung, bei der mehrere Gruppen zu je vier Ventilen (12) auf einer Platine (9) angeordnet sind. Daraus wird der entscheidende Vorteil der vorgeschlagenen Positionssenso­ ren ersichtlich, der es erlaubt, kostengünstig, platz- und materialsparende Serien­ anfertigung der Positionssensoren für Ventile durchzuführen.

Claims (7)

1. Positionssensor eines einen Ventilschaft (13) aufweisenden Ventils (12) eines Verbrennungsmotors mit wenigstens zwei mit einer Wechselspannung be­ aufschlagten Induktivitäten (1, 2), die in Reihe mit jeweiligen Kapazitäten (3, 4) und parallel zueinander geschaltet sind, und deren Verstimmung mittels einer Auswerteschaltung (6) gemessen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten (1, 2) als Multilayerspulen (1, 2) aufgebaut sind, zwischen denen sich eine elektromagnetische Abschirmung (11) befindet und deren indukti­ ve Eigenschaften jeweils durch wenigstens einen auf dem Ventilschaft (13) ange­ brachten Geber (7, 8) beeinflussbar sind.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elekt­ romagnetische Abschirmung (11) aus Ferrit besteht.

3. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die elektromagnetische Abschirmung (11) aus Plastoferrit besteht.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Auswerteschaltung (6) eine Phasenverschiebung in ein Spannungs­ signal umwandelt.

5. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass der Geber (7, 8) aus einem leitfähigen Material besteht.

6. Positionssensorvorrichtung, die aus mehreren Positionssensoren nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 5 besteht, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Multilayerspule (1) mehrerer Positionssensoren auf einer Platine (9) angeordnet ist.

7. Positionssensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Multilayerspulen (1) unterschiedlicher Positionssensoren mit gleicher Funktion in Gruppen für je vier Ventile (12) für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors auf einer Platine (9) angeordnet sind