DE102018204235A1

DE102018204235A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102018204235A1
Application number: DE102018204235.7A
Authority: DE
Inventors: Ajoy Palit
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Also published as: WO2019179713A1

Abstract

Eine Sensoranordnung (100) umfasst eine Induktionsspule (105) und eine elektrisch mit der Induktionsspule (105) verbundene Ansteuereinrichtung (135), zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes im Bereich der Induktionsspule (105); ein magnetisches Flusselement (110) im Bereich der Induktionsspule (105); wobei das Flusselement (110) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (120) beweglich bezüglich der Induktionsspule (105) angebracht ist; ein elastisches Element, das dazu eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zwischen dem Flusselement (110) und der Induktionsspule (105) entlang der Trajektorie (120) bereitzustellen, sodass ein Betrag der Rückstellkraft von einer Position des Flusselements (110) entlang der Trajektorie (120) abhängig ist; und eine Bestimmungseinrichtung (135) zur Bestimmung einer Induktivität der Induktionsspule (105).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Kraft.
An Bord eines Kraftfahrzeugs kann an unterschiedlichen Stellen die Bestimmung einer Kraft gewünscht sein. Beispielsweise kann ein elektrischer Antriebsmotor, etwa zur Sitzverstellung oder zum Antreiben eines Aggregats, in seiner wirksamen Kraft begrenzt werden. Die Kraft kann auch bestimmt werden, um eine Endposition einer Verstelleinrichtung, beispielsweise eines elektrischen Fensterhebers, zu erfassen.
Eine bekannte Sensoranordnung zur Bestimmung einer Kraft basiert auf einer elektrischen Widerstandsmessung an einem Dehnungsmesstreifen (DMS), der an einem von der Kraft durchflossenen Element angebracht ist. Eine andere Sensoranordnung verwendet den piezoelektrischen Effekt, um die Verformung des Elements zu bestimmen. Alternativ kann das Piezoelement auch in Schwingung versetzt und eine Änderung seiner Resonanzfrequenz aufgrund einer Verformung bestimmt werden.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Sensoranordnung, die möglichst universell angewendet werden kann, um insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs eine Kraft oder ein Drehmoment zu bestimmen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine Sensoranordnung umfasst eine Induktionsspule und eine elektrisch mit der Induktionsspule verbundene Ansteuereinrichtung, zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes im Bereich der Induktionsspule; ein magnetisches Flusselement im Bereich der Induktionsspule; wobei das Flusselement entlang einer vorbestimmten Trajektorie beweglich bezüglich der Induktionsspule angebracht ist; ein elastisches Element, das dazu eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zwischen dem Flusselement und der Induktionsspule entlang der Trajektorie bereitzustellen, sodass ein Betrag der Rückstellkraft von einer Position des Flusselements entlang der Trajektorie abhängig ist; und eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Induktivität der Induktionsspule.
Die Sensoranordnung kann universell zur Bestimmung der Kraft eingesetzt werden, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs. Dabei kann die Sensoranordnung leicht an die Größe einer maximal zu bestimmenden bzw. wirkenden Kraft anpassbar sein. Auch ein Maß der Auslenkung der gegeneinander beweglichen Elemente der Induktionsspule und des Flusselements kann an einen vorliegenden Zweck angepasst werden. Die Sensoranordnung kann eine genaue oder störungsresistente Bestimmung erlauben. Beispielsweise kann die Sensoranordnung zur Bestimmung eines mittels eines insbesondere elektrischen Antriebsmotors aufgebrachten Drehmoments verwendet werden. Der Antriebsmotor kann dabei einen Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs oder einen Aggregat- oder Verstell antrieb umfassen. Der Aggregatantrieb kann beispielsweise einen Klimakompressor, eine Luft- oder Hydraulikpumpe antreiben. Der Verstellantrieb kann beispielsweise zum Antrieb eines Teils eines Personensitzes oder zur Betätigung eines Ventils, einer Drosselklappe oder eines anderen Elements einer HVAC-Anlage (HVAC: Heating, Ventilation, Air Conditioning; Heizung, Lüftung, Kühlung) oder etwa einer Abgasanlage eingerichtet sein. Ein Aufbau der Sensoranordnung kann in weiten Grenzen variiert werden, sodass die Sensoranordnung oder ein Teil davon leicht mit einer Einrichtung oder einem System, insbesondere an Bord des Kraftfahrzeugs, integriert ausgeführt werden kann.
Die Bestimmungseinrichtung ist bevorzugt zur Bestimmung des Betrags einer entgegen der Rückstellkraft auf das Flusselement wirkenden Auslenkungskraft auf der Basis der bestimmten Induktivität eingerichtet. Dazu kann die Bestimmungseinrichtung insbesondere eine Abbildung einer bestimmten Induktivität auf eine dazu korrespondierende, zu bestimmende Kraft durchführen. Die zu bestimmende Auslenkungskraft ist der Rückstellkraft entgegen gerichtet. Beide Kräfte sind gleich groß, wenn sich das Flusselement im Stillstand gegenüber der Induktionsspule befindet. Reibungskräfte können vernachlässigbar gering sein. Die Abbildung kann bezüglich eines oder mehrerer Parameter erfolgen, die den Aufbau der Sensoranordnung kennzeichnen.
Die Bestimmungseinrichtung kann eine elektrische Schaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung eines elektrischen Stroms durch die Induktionsspule zu bewirken und eine daraufhin erfolgende Änderung der an der Induktionsspule anliegenden Spannung zu bestimmen. Alternativ kann die Schaltung auch eine Änderung einer elektrischen Spannung an der Induktionsspule bewirken und eine daraufhin erfolgende Änderung des durch die Induktionsspule fließenden Stroms zu bestimmen. Bevorzugt wird ein periodischer elektrischer Wechselstrom durch die Spule bewirkt und ein Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, insbesondere bezüglich ihrer Beträge oder einer relativen Phasenlage, bestimmt.
Das Flusselement kann einen Abschnitt mit einem weichmagnetischen Werkstoff umfassen, um eine Flussdichte des magnetischen Feldes zu vergrößern, wenn der Abschnitt der Induktionsspule angenähert wird. Durch die Vergrößerung der Flussdichte kann die Induktivität der Induktionsspule gesteigert werden. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an der Induktionsspule kann dadurch beeinflusst werden und die Änderung kann leicht bestimmt werden. Der weichmagnetische Werkstoff kann beispielsweise Ferrit, Weicheisen, eine Eisenlegierung, einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder ein spezielles weichmagnetisches Metall wie Mu-Metall umfassen. Das Flusselement kann dabei derart geformt sein, dass die Induktivität eine möglichst eindeutige und genaue Bestimmung der Position des Flusselements auf der Trajektorie erlaubt. In einer Ausführungsform ist die Induktivität im Wesentlichen linear von der Position abhängig.
Das Flusselement kann auch einen Abschnitt mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff umfassen, um eine Flussdichte des magnetischen Feldes zu verringern, wenn der Abschnitt der Induktionsspule angenähert wird. Das leitfähige Material ist bevorzugterweise nicht ferromagnetisch und kann einen hohen Leitwert aufweisen. Das Material kann beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Zink umfassen, gegebenenfalls auch als Teil Legierung. Experimente haben gezeigt, dass die Verringerung der Induktivität bei Annäherung eines leitfähigen Flusselements größer als die Vergrößerung bei Annäherung eines weichmagnetischen Materials sein kann. Die Induktivität und damit die Position des Flusselements können somit genauer bestimmt werden. Außerdem kann das leitfähige Flusselement biegsam sein und leicht in einer gewünschten Weise geformt werden, ohne zu brechen. Diese Eigenschaft kann auch die Lebensdauer des Flusselements positiv beeinflussen.
In einer ersten Variante erstreckt sich die Trajektorie um eine Drehachse, wobei die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, ein zwischen der Induktionsspule und dem Flusselement wirkendes Drehmoment um die Drehachse zu bestimmen. Ein wirksamer Hebelarm, mit dem eine Kraft auf die Position des Flusselements bezüglich der Induktionsspule einwirkt, kann für die Bestimmung berücksichtigt werden. Die Trajektorie kann helixartig um die Drehachse gewunden sein, sodass auch größere Drehwinkel realisiert werden können. In diesem Fall kann das elastische Element insbesondere eine Spiralfeder umfassen.
In einer zweiten Variante erstreckt sich die Trajektorie in gerader Linie, wobei die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, eine zwischen der Induktionsspule und dem Flusselement wirkende Kraft entlang der Linie zu bestimmen. Dadurch kann die Sensoranordnung unmittelbar zur Bestimmung linear wirkender Kräfte verwendet werden. Dabei kann das elastische Element eine Zylinderfeder umfassen, wahlweise als Druck- oder als Zugfeder.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Kraft umfasst Schritte des Bereitstellens eines magnetischen Feldes im Bereich einer Induktionsspule; wobei ein magnetisches Flusselement entlang einer vorbestimmten Trajektorie beweglich bezüglich der Induktionsspule angebracht ist; wobei das Flusselement mit einem elastischen Element verbunden ist, das dazu eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zwischen dem Flusselement und der Induktionsspule entlang der Trajektorie bereitzustellen, sodass ein Betrag der Rückstellkraft von einer Position des Flusselements entlang der Trajektorie abhängig ist; des Bestimmens einer Induktivität der Induktionsspule; und des Bestimmens der Kraft auf der Basis der Induktivität.
Das Verfahren kann insbesondere mittels eines programmierbaren Mikrocomputers oder Mikrocontrollers durchgeführt werden, der von der Bestimmungseinrichtung umfasst sein kann. Dazu kann das Verfahren ganz oder in Teilen in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln vorliegen. Merkmale oder Vorteile der Vorrichtung können auf das Verfahren übertragen werden und umgekehrt.
Die Position des Flusselements kann auf der Basis der bestimmten Induktivität der Induktionsspule bestimmt werden. Die Position kann etwa als Zwischenergebnis bestimmt werden, wobei der Zusammenhang zwischen der Position des Flusselements entlang der Trajektorie und der Induktivität linearisiert werden kann. Zur Umsetzung kann beispielsweise eine erste Wertetabelle oder ein erstes Kennfeld verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform ist der Zusammenhang bereits ausreichend linear, beispielsweise aufgrund einer passenden Form des Flusselements, sodass eine einfache Bestimmung möglich ist.
Die Kraft kann auf der Basis einer Position des Flusselements entlang der Trajektorie und einer wirksamen Federkennlinie des elastischen Elements bestimmt werden. Es kann eine Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Position und der Kraft durchgeführt werden. Diese Umsetzung kann insbesondere eine zweite Wertetabelle oder ein zweites Kennfeld verwendet werden. Der Zusammenhang kann auch bereits ausreichend linear sein, sodass die Umsetzung durch Multiplikation leicht durchgeführt werden kann.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens; und
4 eine Anwendung einer Sensoranordnung;

1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Sensoranordnung 100. Die Sensoranordnung 100 umfasst eine Induktionsspule 105, ein magnetisches Flusselement 110 und ein elastisches Element 115. Das Flusselement 110 ist gegenüber der Induktionsspule 105 entlang einer vorbestimmten Trajektorie 120 beweglich gelagert und das elastische Element 115 wirkt derart zwischen dem Flusselement 110 und der Induktionsspule 105, dass es eine Rückstellkraft auf das Flusselement 110 ausübt, wenn dieses aus einer vorbestimmten Position ausgelenkt wird. Dazu können die Induktionsspule 105 und/oder das Flusselement 110 jeweils auf einem vorbestimmten Trägerelement angebracht oder mit ihm verbunden sein (nicht dargestellt) und das elastische Element 115 kann an einem der Trägerelemente angreifen. In der dargestellten Ausführungsform wirkt das elastische Element 115 gegenüber einem Rahmen 125, der durch ein beliebiges, insbesondere als unbeweglich ansehbares Element gebildet sein kann. Beispielsweise kann der Rahmen 125 mit einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs verbunden sein. Die Induktionsspule 105 ist hier unbeweglich am Rahmen 125 angebracht. Es ist zu beachten, dass die Beweglichkeit des Flusselements 110 immer gegenüber der Induktionsspule 105 erforderlich ist, sodass in einer anderen Ausführungsform auch das Flusselement 110 am Rahmen 125 angebracht sein könnte, während die Induktionsspule beweglich ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Trajektorie 120 gerade; diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Bestimmung linear wirkender Kräfte. Beispielsweise kann eine Belastung einer Radaufhängung an einem Kraftfahrzeug bestimmt werden. Die Radaufhängung kann mit einem linear wirkenden Federbein an einer Karosserie abgestützt sein und das Federbein kann mit dem elastischen Element 120 integriert sein. Die Sensoranordnung 100 kann dann beispielsweise Messwerte für einen Wankstabilisator oder ein Niveauausgleichssystem bereitstellen.
Bevorzugt ist die Induktionsspule 105 als Flachspule ausgeführt, beispielsweise als Printspule in einer gedruckten Schaltung. Dabei kann die Induktionsspule eine oder zwei parallel übereinander gestapelter Lagen einnehmen, in weiteren Ausführungsformen auch drei oder mehr Lagen. Jede Lage umfasst mehrere Windungen um eine gemeinsame Wicklungsachse 130 und die Windungen auf den einzelnen Lagen sind elektrisch in Serie miteinander verbunden, sodass der Umlaufsinn bezüglich einer Stromrichtung in allen Lagen bevorzugt gleich ist.
Das Flusselement 110 ist ebenfalls bevorzugt flach ausgeführt und die Trajektorie 120 ist bevorzugt so gewählt, dass das Flusselement 110 in einem möglichst geringen Abstand an der Induktionsspule 105 vorbei geführt wird. Der Abstand kann entlang der Wicklungsachse 130 bestimmt sein. Eine Berührung kann dabei stattfinden, wobei bevorzugt beispielsweise mittels eines Isolationselements verhindert wird, dass ein elektrischer Strom zwischen der Induktionsspule 105 und dem Flusselement 110 fließt. Das Flusselement 110 kann so geformt sein, dass eine Induktivität der Induktionsspule 105 möglichst linear von einer Position des Flusselements 110 entlang der Trajektorie 120 abhängt. Dabei kann eine Mehrdeutigkeit bezüglich einer Position der größten Annäherung bestehen, die Induktivität der Induktionsspule 105 also in gleicher Weise beeinflusst werden, wenn das Flusselement 110 aus dieser Position in einer vorbestimmten Richtung oder der entgegengesetzten Richtung auf der Trajektorie 120 von der Induktionsspule 105 entfernt wird.
In einer ersten Variante umfasst das Flusselement 110 zumindest auf einem Abschnitt ein weichmagnetisches Material, sodass es bei Annäherung an die Induktionsspule 105 deren Induktivität steigert. In einer zweiten Variante umfasst das Flusselement 110 zumindest auf einem Abschnitt ein elektrisch leitfähiges Material, sodass es bei Annäherung an die Induktionsspule 105 deren Induktivität verringert. Das leitfähige Material kann insbesondere flach und als Metall ausgeführt sein, insbesondere als Blech. In weiteren Varianten können auch weichmagnetische und leitfähige Materialien auf in Richtung der Trajektorie 120 benachbarten Abschnitten des Flusselements 110 nebeneinander liegen.
Zur Bestimmung der Induktivität der Induktionsspule 105 umfasst die Sensoranordnung 100 ferner eine Bestimmungseinrichtung 135, die bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Induktivität auf der Basis eines Zusammenhangs zwischen einem Strom und einer Spannung an der Induktionsspule 105 zu bestimmen. Alternativ kann die Bestimmungseinrichtung 135 eine Spannung, insbesondere eine Wechselspannung, an die Induktionsspule 105 anlegen und einen durch sie fließenden Strom bestimmen, oder umgekehrt einen Strom, insbesondere einen Wechselstrom, durch die Induktionsspule 105 bewirken und eine an der Induktionsspule 105 anliegende Spannung bestimmen.
Eine Verarbeitungseinrichtung 140, die auch mit der Bestimmungseinrichtung 135 integriert ausgeführt sein kann, wandelt das bevorzugt in Form eines elektrischen Signals vorliegende Ergebnis der Induktionsbestimmung in ein Signal um, das auf eine Kraft hinweist, die auf das Flusselement 110 entlang der Trajektorie 120 entgegen der Rückstellkraft des elastischen Elements 115 wirkt. Die Umwandlung kann anhand eines bekannten Zusammenhangs beispielsweise numerisch oder auch symbolisch erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Umsetzung mittels einer Kennlinie oder eines Kennfelds, das in einer Ausführungsform in einer Speichervorrichtung 145 abgelegt ist. Vor oder nach der Umsetzung mittels der Kennlinie oder des Kennfelds können noch arithmetische Operationen durchgeführt werden, insbesondere eine Multiplikation mit einem Faktor, der einer Geometrie oder Dimensionierung der Sensoranordung 100 entstammt.
Beispielsweise kann die Induktivität der Induktionsspule 105 mittels einer Kennlinie in einen Abstand des Flusselements 110 von der Induktionsspule 105 umgewandelt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Abstand durch Multiplikation der Induktivität mit einem bekannten Faktor bestimmt werden. Die wirkende Kraft kann mittels einer weiteren vorbestimmten Kennlinie oder durch Multiplikation mit einem vorbestimmten Faktor, insbesondere der Federkonstante oder Federhärte des elastischen Elements 115, bestimmt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kraft auch durch Multiplikation mit noch einem weiteren vorbestimmten Faktor aus der Induktion direkt bestimmt werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Kraft auch mittels noch einer weiteren vorbestimmten Kennlinie direkt aus der Induktivität bestimmt werden.
Die Bestimmungseinrichtung 135 kann ein Bestimmungsergebnis über eine Schnittstelle 150 bereitstellen. Die Schnittstelle 150 kann ein elektrisches Signal oder eine Nachricht bereitstellen, das insbesondere digital codiert sein kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Sensoranordnung 100. Hier sind mehrere Induktionsspulen 105 entlang der Trajektorie 120 angeordnet. Die Induktionsspulen 105 sind bevorzugt geometrisch entsprechend aufgebaut, sodass sie möglichst gleiche Induktivitäten aufweisen, wenn das Flusselement 110 keinen Einfluss ausübt. Die Induktionsspulen 105 sind bevorzugt gleichsinnig gewickelt. Um einen zur Verfügung stehenden Platz möglichst optimal auszunutzen, können die Induktionsspulen 105 jeweils rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Minimale Abstände der Induktionsspulen 105 entlang zugeordneter Wicklungsachsen 130, jeweils zum Flusselement 110 sind bevorzugt gleich groß.
Die Position des Flusselements 110 kann beispielsweise in der oben genannten Weise nacheinander oder nebenläufig bezüglich mehrerer Induktionsspulen 105 bestimmt werden. Dazu können zugeordnete Abstände bestimmt werden, die auf der Basis von Lagen bzw. Positionen der einzelnen Induktionsspulen 105 in eine Position des Flusselements 110 entlang der Trajektorie 120 umgewandelt werden können. Dadurch kann eine genauere Bestimmung der Position erfolgen. Mehrdeutigkeiten der Position bezüglich verschiedener Induktionsspulen 105 können durch Kombination aufgelöst werden. Außerdem kann ein bestimmbarer Positionsbereich bei Bedarf durch Hinzufügen weiterer Induktionsspulen 105 praktisch beliebig vergrößert werden.
Es ist bevorzugt, dass das Flusselement 110 den Querschnitt eines Rhombus oder einer Raute aufweist, der quer zur Trajektorie 120, in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche der Induktionsspulen 105, an seiner breitesten Stelle wenigstens so breit wie die Induktionsspulen 105 ist und in einer dazu senkrechten Richtung entlang der Trajektorie 120 etwa drei mal so lang wie eine Induktionsspule 105.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300, das insbesondere in Verbindung mit der Sensoranordnung 100 ausgeführt werden kann. In einem ersten Schritt 305 wird bevorzugt die Induktionsspule 105 elektrisch angeregt, insbesondere mittels eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung, um ein magnetisches Feld im Bereich der Induktionsspule 105 bereitzustellen. In einem Schritt 310 kann die Induktivität der Induktionsspule 105 bestimmt werden, insbesondere auf der Basis wenigstens einer elektrischen Kenngröße an der Induktionsspule 105.
Die Sensoranordnung 100 ist bevorzugt so aufgebaut, dass die Induktivität der Induktionsspule 105 von einer Position des Flusselements 120 entlang der Trajektorie abhängig ist. In einem Schritt 315 kann von der bestimmten Induktion auf einen Abstand von einer vorbestimmten Stellung oder Position entlang der Trajektorie 120 geschlossen werden. Ein Zusammenhang zwischen diesen Parametern kann in Form eines parametrischen Zusammenhangs (einer mathematischen Funktion), einer Kennlinie oder eines Kennfelds vorliegen.
In einem Schritt 320 kann vom Abstand auf die Position des Flusselements 110 entlang der Trajektorie geschlossen werden. Dazu ist ein Zusammenhang zwischen den beiden Parametern bekannt, beispielsweise in Form eines parametrischen Zusammenhangs (einer mathematischen Funktion), einer Kennlinie oder eines Kennfelds. Dem Zusammenhang liegen ein geometrischer Verlauf der Trajektorie 120, eine Form des Flusselements 110 und/oder der Induktionsspule 105 zu Grunde. Es ist bevorzugt, dass die Schritte 315 und 320 miteinander integriert durchgeführt werden, indem auf der Basis der bestimmten Induktion der Induktionsspule 105 - oder des auf die Induktion hinweisenden Parameters - direkt auf die Position des Flusselements 110 geschlossen wird.
In einem Schritt 325 kann von der Position auf eine Auslenkung des Flusselements 110 aus einer vorbestimmten Position oder Stellung geschlossen werden, die auch Normalposition oder Normalstellung genannt werden kann. In der Normalposition ist ein Betrag der durch das elastische Element 115 ausgeübten Kraft zwischen der Induktionsspule 105 und dem Flusselement 110 entlang der Trajektorie 120 bevorzugt minimal und kann insbesondere null sein. Dem Zusammenhang zwischen der Position und der Auslenkung des Flusselements 110 kann eine Form der Trajektorie 120 zu Grunde liegen. In einer Ausführungsform kann die Position der Auslenkung auch entsprechen oder mit ihr identisch sein.
In einem Schritt 330 kann von der Auslenkung auf die durch das elastische Element 115 bereitgestellte Kraft geschlossen werden. Üblicherweise ist hierfür eine Federkennlinie des elastischen Elements 115 bekannt. Dabei kann die Federkennlinie insbesondere derart ausgedrückt sein, dass sie einen Betätigungsweg des elastischen Elements 115 entlang der Trajektorie 120 gegenüber der bereitgestellten Kraft ausdrückt. Dieser Zusammenhang kann linear sein, beispielsweise wenn das elastische Element 115 eine gerade, gleichmäßige Schraubenfeder umfasst, deren Erstreckungsrichtung entlang der Trajektorie 120 wirkt, oder wenn das elastische Element 115 eine gleichmäßige Spiralfeder umfasst, deren Kraft in Umfangsrichtung um die Trajektorie 120 wirkt. In anderen Fällen kann der Zusammenhang auch nichtlinear sein.
In einem optionalen Schritt 335 kann von der bestimmten Kraft auf ein Drehmoment geschlossen werden. Dies kann insbesondere eine Multiplikation der bestimmten Kraft mit der Länge eines wirksamen Hebels umfassen.
Mehrere Schritte 310 - 335 des Verfahrens 300 können zusammengefasst bzw. miteinander integriert ausgeführt werden. Insbesondere Schritte, die in der Darstellung von 3 benachbart sind, miteinander integriert werden. In einer Ausführungsform können alle Bestimmungsschritte 310 - 330 und der optionale Schritt 335 in einem Schritt durchgeführt werden. Dazu kann insbesondere anhand eines bekannten Ende-zu-Ende Zusammenhangs die Kraft auf der Basis des auf die Induktion hinweisenden Parameters bestimmt werden. Diese Bestimmung kann mittels einer Kennlinie durchgeführt werden, die beispielsweise empirisch bestimmt werden kann. Sind mehrere Induktionsspulen 105 vorgesehen, die gleichzeitig vom Flusselement 110 beeinflusst werden können, so kann auch ein Kennfeld mit entsprechend vielen Eingangsgrößen die Abbildung auf die Ausgangsgröße der Kraft (oder des Drehmoments) bereitstellen. Die Bestimmung kann mit schwach dimensionierten Verarbeitungsmitteln auskommen und schnell und präzise durchgeführt werden.
4 zeigt eine mögliche Anwendung 400 einer Sensoranordnung 100. Ein erstes Element 405 ist mit der Induktionsspule 105 (bzw. mit einer Anordnung mehrerer Induktionsspulen 105) verbunden und ein zweites Element 410 mit dem Flusselement 410. Die Elemente 405, 410 sind um eine Drehachse 415 drehbar gegeneinander gelagert und das elastische Element 115 (nicht dargestellt) wirkt zwischen den Elementen 405, 410 in Umfangsrichtung der Drehachse 415. Das Flusselement 110 ist entlang einer gekrümmten Trajektorie 120 beweglich, die sich insbesondere in konstantem Abstand um eine vorbestimmte Drehachse 415 erstrecken kann. In der gezeigten Variante liegt die Trajektorie 120 in einer Drehebene dabei bezüglich der Drehachse 415, in einer anderen Variante erstreckt sie sich schraubenlinien- oder helixförmig um und entlang der Drehachse 415.
In der schematischen Darstellung von 4 ist das Flusselement 110 radial innen und die Induktionsspule 105 radial außen angebracht, eine umgekehrte Anordnung ist jedoch auch möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann auch die Induktionsspule 105 entlang der Trajektorie 120 beweglich sein und das Flusselement 110 steht fest.
Die Ausführungsform mit kreisförmig gekrümmter Trajektorie 120 kann insbesondere zur Bestimmung eines Drehmoments vorteilhaft eingesetzt werden. Das Drehmoment kann entlang der Drehachse 415 wirken und durch das elastische Element 115 fließen. Das elastische Element 415 kann beispielsweise von einem Drehschwingungsdämpfer oder einer anderen Einrichtung zur Übertragung von Drehmoment umfasst sein. Das Drehmoment kann in vorbestimmten Winkeln (beschränkt oder unbeschränkt) und mit vorbestimmten Winkelgeschwindigkeiten oder Drehzahlen wirken. In einer Ausführungsform ist die Sensoranordnung 100 zur Bestimmung eines von einem Antriebsmotor bereitgestellten Drehmoments eingerichtet. Der Antriebsmotor kann insbesondere elektrisch arbeiten. Dazu kann das Sensorelement 100 beispielsweise an einer Antriebswelle des Antriebsmotors oder zwischen dem Antriebsmotor und einer Masse, insbesondere einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, angebracht sein. Das Drehmoment kann zu einer bereitgestellten Leistung des Antriebsmotors proportional sein, sodass durch eine weitere Multiplikation auch die Leistung bestimmt bzw. bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Sensoranordnung
105: Induktionsspule
110: magnetisches Flusselement
115: elastisches Element
120: Trajektorie
125: Rahmen
130: Wicklungsachse
135: Bestimmungseinrichtung
140: Verarbeitungseinrichtung
145: Speichervorrichtung
150: Schnittstelle
400: Anwendung
405: erstes Element
410: zweites Element
415: Drehachse
300: Verfahren
305: Induktionsspule anregen
310: Induktivität bestimmen
315: Induktivität -> Abstand
320: Abstand -> Position
325: Position -> Auslenkung
330: Auslenkung -> Kraft
335: Kraft -> Drehmoment

Claims

Sensoranordnung (100), wobei die Sensoranordnung (100) folgendes umfasst: eine Induktionsspule (105) und eine elektrisch mit der Induktionsspule (105) verbundene Ansteuereinrichtung (135), zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes im Bereich der Induktionsspule (105); ein magnetisches Flusselement (110) im Bereich der Induktionsspule (105); wobei das Flusselement (110) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (120) beweglich bezüglich der Induktionsspule (105) angebracht ist; ein elastisches Element, das dazu eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zwischen dem Flusselement (110) und der Induktionsspule (105) entlang der Trajektorie (120) bereitzustellen, sodass ein Betrag der Rückstellkraft von einer Position des Flusselements (110) entlang der Trajektorie (120) abhängig ist; und eine Bestimmungseinrichtung (135) zur Bestimmung einer Induktivität der Induktionsspule (105).
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungseinrichtung (135) zur Bestimmung des Betrags einer entgegen der Rückstellkraft auf das Flusselement (110) wirkenden Auslenkungskraft auf der Basis der bestimmten Induktivität eingerichtet ist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bestimmungseinrichtung (135) eine elektrische Schaltung umfasst, die dazu eingerichtet ist, eine Änderung eines elektrischen Stroms durch die Induktionsspule (105) zu bewirken und eine daraufhin erfolgende Änderung der an der Induktionsspule (105) anliegenden Spannung zu bestimmen oder umgekehrt.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Flusselement (110) einen Abschnitt mit einem weichmagnetischen Werkstoff umfasst, um eine Flussdichte des magnetischen Feldes zu vergrößern, wenn der Abschnitt der Induktionsspule (105) angenähert wird.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Flusselement (110) einen Abschnitt mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff umfasst, um eine Flussdichte des magnetischen Feldes zu verringern, wenn der Abschnitt der Induktionsspule (105) angenähert wird.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Trajektorie (120) um eine Drehachse erstreckt und die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, ein zwischen der Induktionsspule (105) und dem Flusselement (110) wirkendes Drehmoment um die Drehachse zu bestimmen.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Trajektorie (120) in gerader Linie erstreckt und die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, eine zwischen der Induktionsspule (105) und dem Flusselement (110) wirkende Kraft entlang der Linie zu bestimmen.
Verfahren (300) zum Bestimmen einer Kraft, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (305) eines magnetischen Feldes im Bereich einer Induktionsspule (105); wobei ein magnetisches Flusselement (110) entlang einer vorbestimmten Trajektorie (120) beweglich bezüglich der Induktionsspule (105) angebracht ist; wobei das Flusselement (110) mit einem elastischen Element verbunden ist, das dazu eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zwischen dem Flusselement (110) und der Induktionsspule (105) entlang der Trajektorie (120) bereitzustellen, sodass ein Betrag der Rückstellkraft von einer Position des Flusselements (110) entlang der Trajektorie (120) abhängig ist; Bestimmen (310) einer Induktivität der Induktionsspule (105); und Bestimmen (315-330) der Kraft auf der Basis der Induktivität.
Verfahren (300) nach Anspruch 8, wobei die Position des Flusselements (110) auf der Basis der bestimmten Induktivität der Induktionsspule (105) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Kraft auf der Basis einer Position des Flusselements (110) entlang der Trajektorie (120) und einer wirksamen Federkennlinie des elastischen Elements bestimmt wird.