DE102021125333A1 - Sensorvorrichtung und Lenksystem mit Sensorvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (01) zur Erfassung eines Linearwegs. Die Sensorvorrichtung (01) umfasst einen induktiven Sensor (02), der eine Senderspule (03) und eine Empfängerspule (04) aufweist. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung (01) ein dem induktiven Sensor (02) gegenüberliegendes Target (07), welches mit dem induktiven Sensor (02) in Wechselwirkung steht. Der induktive Sensor (02) oder das Target (07) sind gegenüber einer Längsachse (06) des induktiven Sensors (02) zueinander bewegbar. Erfindungsgemäß weist das Target (07) eine Durchgangsbohrung (08) auf, in der ein Permanentmagnet (09) positioniert ist. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung (01) einen Hallsensor (11), der gegenüberliegend zur Durchgangsbohrung (08) entlang der Längsachse (06) des induktiven Sensors (02) auf dem induktiven Sensor (02) angeordnet ist. Der Hallsensor (11) steht mit dem Permanentmagneten (09) in Wechselwirkung. Die Sensorvorrichtung weist somit ein duales Messsystem auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem, welches eine derartige Sensorvorrichtung (01) zur Erfassung eines Linearwegs umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Position entlang eines Linear- oder Verfahrwegs. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem, welches eine solche Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Linearwegs umfasst.
  • Es sind Messsysteme zum Messen eines Abstandes zwischen einem Objekt und einem Bezugspunkt oder zum Messen von Längenänderungen bekannt. Begriffe für solche Messsysteme sind beispielsweise Wegsensor, Abstandssensor, Positionssensor oder Distanzsensor. Diese Messsysteme können verschiedene Bauarten aufweisen und unterschiedliche Messmethoden anwenden.
  • Lineare Wegmessgeräte bzw. Linearwegsensoren werden bevorzugt in Industrieanwendungen genutzt. Diese Messsysteme messen Wege mit einer hohen Präzision, selbst unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Beispielsweise werden die Linearwegsensoren in Lenksystemen von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Steer-by-Wire-Systemen eingesetzt. Dort eingesetzte Linearwegsensoren umfassen zum Beispiel Hallsensoren oder induktive Sensoren.
  • Beispielsweise wird in der DE 102 02 309 A1 ein Wegsensor mit magnetoelektrischem Wandlerelement beschrieben, welches einen Magnetkreis aus mindestens einem Flussleitstück und mindestens einem Magneten umfasst.
  • Aus der DE 10 2015 225 221 A1 ist eine Linearwegsensor bekannt, der ein Basiselement mit einer Sensorspule und einer Erregerspule umfasst, wobei beim Anlegen einer Wechselspannung an die Erregerspule eine Wechselspannung an der Sensorspule induziert wird. Weiterhin umfasst der Linearwegsensor ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Schiebeelement (Target), welches gegenüber dem Basiselement entlang eines Messweges verschiebbar ist. Die Sensorspule weist zwei gegeneinander phasenverschobene Teilwindungen auf.
  • Die EP 3 179 215 A1 beschreibt eine Sensoranordnung zur berührungslosen Erfassung von Translationsbewegungen an einem linear verschiebbaren Bauteil. An dem beweglichen Bauteil ist ein Target mit mindestens einer Metallfläche angeordnet. Weiterhin weist die Sensoranordnung eine Spulenanordnung mit Detektionsspule auf. Die Induktivität ist entsprechend des Überdeckungsgrades der Detektionsspule mit der Metallfläche des beweglichen Targets durch Wirbelstromeffekte veränderlich.
  • In der EP 0 289 033 A2 ist ein Linearwegsensor mit Abschirmung beschrieben. Der Linearwegsensor umfasst eine Senderwicklung und eine Empfangswicklung sowie ein Abschirmelement.
  • Aus der DE 10 2019 125 309 A1 ist ein Sensorsystem zur Erfassung einer Winkellage und eines Linearwegs bekannt. Das Sensorsystem weist ein erstes Targetelement zur Erfassung einer Winkellage und ein zweites Targetelement zur Erfassung eines Linearwegs auf. Das erste Targetelement ist um eine Drehachse rotierbar und ein zweites Targetelement ist entlang der Drehachse linear bewegbar. Mittels des linear bewegbaren zweiten Targetelements und einem Sensor ist der Linearweg ermittelbar.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Linearwegs bereitzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Messqualität aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lenksystem mit einer solchen Sensorvorrichtung bereitzustellen.
  • Die genannte Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Linearwegs gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Lenksystem mit einer Sensorvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dient der Erfassung einer Position entlang eines Linear- bzw. Verfahrweges. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einem Lenksystem, zum Beispiel einer Hinterachslenkung einsetzbar. Die Sensorvorrichtung umfasst einen ersten Sensor, der als induktiver Sensor ausgebildet ist, sowie ein dem Sensor beabstandet gegenüberliegendes Target. Das Target ist linear bewegbar, wobei die Bewegung parallel zu einer Längsachse des ersten Sensors erfolgt. Der erste Sensor umfasst eine Senderspule und eine Empfängerspule. Der erste Sensor und das Target stehen in Wechselwirkung miteinander, wobei der erste Sensor eine Bewegung des Targets erfasst. Die Messung erfolgt nach dem Wirbelstromprinzip. Durch von der Senderspule des ersten Sensors erzeugte hochfrequente Felder werden in dem Target Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme des Targets schirmen einen Teil der Empfängerspule ab. Aufgrund der Bewegbarkeit des Targets und der aufgrund der Bewegung variierenden Signale, welche in der Empfängerspule erzeugt werden, aufgrund der Bestromung der Senderspule, lässt sich die jeweilige Position und damit eine Positionsänderung bestimmen. Die Positionsänderung entspricht dem Linearweg.
  • Das Target ist an einem Bauteil des Lenksystems anbringbar, sodass durch den ersten Sensor eine lineare Bewegung des Targets und damit des Bauteils des Lenksystems ermittelbar ist. In einer Ausführungsform ist das Target fest und der Sensor an einem beweglichen Bauteil angeordnet, sodass der erste Sensor den beweglichen Teil darstellt. Erfindungsgemäß weist das Target eine Durchgangsbohrung bzw. ein Durchgangsloch auf. Das Target ist vorzugsweise rechteckig ausgebildet. Die Durchgangsbohrung ist bevorzugt auf einer Mittellinie des Targets positioniert. In der Durchgangsbohrung ist ein Permanentmagnet eingebracht. Der Permanentmagnet ist beispielsweise zylinderförmig ausgebildet und in der Durchgangsbohrung befestigt.
  • Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung einen Hallsensor, der gegenüberliegend zum Durchgangsloch entlang der Längsachse des ersten Sensors auf dem ersten Sensor angeordnet ist. Der Hallsensor steht mit dem Permanentmagneten in Wechselwirkung, wobei eine Positionserfassung des Permanentmagnets durch den Hallsensor unter Ausnutzung des Hall-Effekts erfolgt. Somit basiert die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf einem dualen Messprinzip.
  • Vorteilhafterweise hat die Durchgangsbohrung des Targets keinen wesentlichen Einfluss auf die im Target erzeugten Wirbelströme, sodass die Messgenauigkeit des ersten Sensors mit dem Target gemäß dem Wirbelstromprinzip nahezu unverändert gegenüber Sensoranordnungen mit Targets ohne Durchgangsbohrung ist.
  • Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung hat den Vorteil, dass durch die Kombination zweier Messprinzipien zur Positionsbestimmung eines Bauteils der zurückgelegte Linearweg desselben präziser und sicherer gegenüber Störungen bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß kommen sowohl Gleichstromfelder als auch Wechselstromfelder zum Einsatz, wodurch eine Robustheit gegenüber Fehlern und äußeren Einflüssen erreicht wird. Die beiden Messsystem beeinflussen sich vorteilhafterweise nicht gegenseitig.
  • Vorteilhafterweise kann durch das duale Messprinzip auch eine Kalibrierung oder Rekalibrierung während des Betriebs des Sensors durch eine Kalibrierfahrt erfolgen.
  • Vorzugsweise umfasst der erste Sensor mehrere Senderspulen und mehrere Empfängerspulen.
  • Die mindestens eine Senderspule bildet einen geschlossenen elektrischen Pfad, der bevorzugt rechteckförmig ist und in welchem ein (hochfrequenter) elektrischer Strom fließen kann. Vorzugsweise sind die Senderspulen elektrische Leiterbahnen. Die elektrische Leiterbahn ist vorzugsweise aus Kupfer. Bevorzugt sind die Senderspulen des ersten Sensors auf zwei parallelen, horizontalen Ebenen angeordnet und mittels Durchkontaktierung (Vias) vertikal verbunden.
  • Die mindestens eine Empfängerspule des ersten Sensors ist vorzugsweise wellenförmig bzw. sinusförmig ausgebildet und elektrisch leitfähig, beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Draht oder einer Kupferbahn bestehend. Die Empfängerspule bildet ebenfalls einen geschlossenen Kreislauf, sodass ein Wellenberg einem Wellental gegenüber liegt.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung mehrere wellenförmig ausgebildete Empfängerspulen, welche entlang einer Längsrichtung zueinander verschoben angeordnet sind.
  • Das Target weist bevorzugt mindestens eine weitere Durchgangsbohrung auf, in welcher jeweils ein Permanentmagnet angeordnet werden kann.
  • Vorzugsweise sind entlang der Längsachse des ersten Sensors oder gegenüberliegend zu dem mindestens einen Permanentmagnet auf dem ersten Sensor mehrere zueinander beabstandete Hallsensoren angeordnet. Die Hallsensoren können in einer alternativen Ausführungsform auch verschoben zur Längsachse des ersten Sensors angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind auf der gesamten Länge des ersten Sensors mehrere zueinander beabstandete Hallsensoren angeordnet. Beispielsweise kann der erste Sensor eine Länge von 10 mm bis 50 mm aufweisen, wobei 6 bis 10 Hallsensoren entlang der Längserstreckung des Sensors angeordnet werden können.
  • Bevorzugt besteht das Target aus Aluminium. Das Target kann auch aus einem anderen metallischen Werkstoff oder alternativ aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen.
  • Das erfindungsgemäße Lenksystem umfasst eine Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Linearwegs entsprechend der zuvor beschriebenen Sensorvorrichtung. Hierbei kann die Sensorvorrichtung eine oder mehrere Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweisen oder miteinander kombinieren.
  • Das Lenksystem umfasst ein Gelenk, mit welchem das Lenksystem an einer Spurstange beweglich montiert werden kann. Weiterhin umfasst das Lenksystem einen Motor und ein zugeordnetes elektronisches Steuergerät. Das Steuergerät ist mit der Sensorvorrichtung elektrisch verbunden, um Daten zu empfangen und weiter zu verarbeiten. Vorzugsweise umfasst das Lenksystem eine Getriebeeinheit und einen Riemenantrieb, welcher mit dem Motor verbunden ist und mit diesem zusammenwirkt.
  • Beispielsweise kann das Lenksystem eine Hinterachslenkung an einem Fahrzeug sein und für elektrische angetriebene Servolenkungen, auch als EPS (electric power steering) bekannt, verwendet werden. Besonders bevorzugt kommt das Lenksystem mit der Sensorvorrichtung bei Steer-by-wire-Anwendungen für assistierendes, automatisiertes oder autonomes Fahren zum Einsatz.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Linearwegs;
    • 2 eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gemäß 1; und
    • 3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenksystems mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 01 zur Erfassung eines Linearwegs. Die Sensorvorrichtung 01 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen ersten Sensor 02, welcher als induktiver Sensor 02 ausgebildet ist und eine Senderspule 03 sowie eine Empfängerspule 04 besitzt. Die Senderspule 03 besteht hier aus zwei einzelnen Senderspulen, welche in einem rechteckförmigen, geschlossenen Kreislauf beispielsweise auf zwei Ebenen angeordnet sind. In abgewandelten Ausführungen können mehrere Senderspulen und/oder mehrere Empfängerspulen verwendet werden. Die Ebenen sind mittels Durchkontaktierung 05 verbunden. Innerhalb der Senderspule 03 ist die Empfängerspule 04 angeordnet, welche aus mehreren einzelnen Empfängerspulen besteht. Die einzelnen Empfängerspulen sind wellenförmig, vorzugsweise sinus- bzw. cosinusförmig gestaltet und entlang einer Längsachse 06 des induktiven Sensors 02 zueinander längsverschoben angeordnet. Die Empfängerspulen sind bevorzugt so gestaltet, dass sich aus dem Arcustangens ein Winkelsignal mit linearer Abhängigkeit bilden lässt.
  • Gegenüberliegend dem induktiven Sensor 02 und parallel zu diesem ist ein Target 07 angeordnet. Das Target 07 ist rechteckig ausgebildet. Mittels des Targets 07 und des induktiven Sensors 02 kann nach dem Wirbelstromprinzip ein Linearweg bestimmt werden. Wird das Target an einem Messort, z. B. an einem Bauteil einer Hinterachslenkung positioniert, kann eine lineare Verschiebung oder Wegstrecke desselben erfasst werden. Erfindungsgemäß weist das Target 07 eine Durchgangsbohrung 08 auf (siehe auch 2). In der Durchgangsbohrung 08 ist ein Permanentmagnet 09 angeordnet. Entlang der Längsachse 06 des induktiven Sensors 02 sind mehrere Hallsensoren 11 beabstandet zueinander angeordnet. Die Hallsensoren 11 und der Permanentmagnet 09 in der Durchgangsbohrung 08 des Targets 07 stehen in Wechselwirkung, sodass eine lineare Verschiebung oder Wegstrecke ebenfalls unter Ausnutzung des Hall-Effekts bestimmt werden kann. Somit basiert die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 01 auf einem dualen Messprinzip.
  • 2 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 01 gemäß 1. In 2 ist die Durchgangsbohrung 08 des Targets 07 deutlicher zu erkennen.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenksystems in Form einer Hinterachslenkung mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 01 gemäß 1. Die Sensorvorrichtung 01 kann auch als Linearsensor bezeichnet werden. Die Hinterachslenkung umfasst ein Gelenk 12, mit welchem die Hinterachslenkung an einer Spurstange beweglich montiert werden kann. Weiterhin umfasst die Hinterachslenkung einen Motor 13 und ein elektronisches Steuergerät 14. Das Steuergerät 14 ist mit der Sensorvorrichtung 01 elektrisch verbunden, um Daten zu empfangen und weiter zu verarbeiten. Ebenso umfasst die Hinterachslenkung eine Getriebeeinheit 16 und einen Riemenantrieb 17, welcher mit dem Motor verbunden ist und mit diesem zusammenwirkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Sensorvorrichtung
    02
    induktiver Sensor
    03
    Senderspule
    04
    Empfängerspule
    05
    Durchkontaktierung
    06
    Längsachse des induktiven Sensors 02
    07
    Target
    08
    Durchgangsbohrung
    09
    Permanentmagnet
    10
    -
    11
    Hallsensor
    12
    Gelenk
    13
    Motor
    14
    Steuergerät
    15
    -
    16
    Getriebeeinheit
    17
    Riemenantrieb
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10202309 A1 [0004]
    • DE 102015225221 A1 [0005]
    • EP 3179215 A1 [0006]
    • EP 0289033 A2 [0007]
    • DE 102019125309 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Sensorvorrichtung (01) zur Erfassung eines Linearwegs, umfassend einen induktiven Sensor (02) mit einer Senderspule (03) und einer Empfängerspule (04), weiterhin umfassend ein dem induktiven Sensor (02) gegenüberliegendes Target (07), welches mit dem induktiven Sensor (02) in Wechselwirkung steht, wobei der induktive Sensor (02) oder das Target (07) gegenüber einer Längsachse (06) des induktiven Sensors (02) zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (07) eine Durchgangsbohrung (08) aufweist, wobei in der Durchgangsbohrung (08) ein Permanentmagnet (09) positioniert ist, und dass weiterhin ein Hallsensor (11) gegenüberliegend der Durchgangsbohrung (08) entlang der Längsachse (06) des induktiven Sensors (02) auf dem induktiven Sensor (02) angeordnet ist, wobei der Hallsensor (11) mit dem Permanentmagneten (09) in Wechselwirkung steht.
  2. Sensorvorrichtung (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (02) mehrere Senderspulen (03) und mehrere Empfängerspulen (04) umfasst.
  3. Sensorvorrichtung (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Senderspulen (03) des induktiven Sensors (02) auf zwei oder mehr Ebenen eines Trägers parallel zueinander angeordnet sind und mittels Durchkontaktierung (05) vertikal verbunden sind.
  4. Sensorvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (07) mindestens eine weitere Durchgangsbohrung (08) aufweist, in der ein weiterer Permanentmagnet (09) positionierbar ist.
  5. Sensorvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsachse (06) des induktiven Sensors (02) beabstandet zueinander mehrere Hallsensoren (11) angeordnet sind.
  6. Sensorvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (07) aus Aluminium besteht.
  7. Lenksystem mit einer Sensorvorrichtung (01) zur Erfassung eines Linearwegs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Motor (13), ein Steuergerät (14), eine Getriebeeinheit (16) und einen Riemenantrieb (17), wobei die Sensorvorrichtung (01) mit dem Steuergerät (14) elektrisch verbunden ist und das Steuergerät (14) dem Empfangen und Verarbeiten von Daten, welche durch die Sensorvorrichtung (01) bereitgestellt werden, dient.
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