DE102021132393A1

DE102021132393A1 - Sensoranordnung; Lenkung; Fahrzeug, Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102021132393A1
Application number: DE102021132393.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lindner; Felix Distler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs,wobei die Sensoranordnung mithilfe einer Leiterplatte ausgebildet ist,wobei die Sensoranordnung einen ersten Positionssensor mit einer ersten Spulenanordnung aufweist,dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen zweiten Positionssensor mit einer zweiten Spulenanordnung aufweist,wobei die erste Spulenanordnung in einem ersten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet ist,wobei die zweite Spulenanordnung in einem zweiten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Lenkung, ein Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung.
Derartige Sensoranordnungen und Positionssensoren sind allgemein bekannt. Sie können beispielsweise zur Messung eines Lenkwinkels einer Hinterachslenkung oder Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs verwendet werden.
Zur Messung des Lenkeinschlags in Hinterachslenkungen können induktive Linearwegsensoren (LPS - linear positioning sensor) eingesetzt werden. Diese basieren auf dem induktiven Prinzip. Typischerweise induzieren Senderspulen ein Messsignal in Empfangsspulen, wobei ein Teil des ausgesendeten Feldes durch die Wirbelströme in einem beweglichem, elektrisch leitfähigen Messobjekt abgeschirmt wird, sodass die resultierende induzierte Spannung eine Information über die Position des Messobjekts gibt. Typische Genauigkeiten liegen dabei beispielsweise bei circa 1 % des Verfahrweges (Stroke). Sie verringern sich mit Erhöhung der Länge des Sensors, da die Spulen bei der Vergrößerung des Gesamtmessbereichs gestreckt werden müssen. Alternativ kann auch der überstrichene Winkel in Bezug auf den Verfahrweg bzw. der Anstieg des atan2 als Maßzahl verwendet werden.
Die DE102018130228 B3 offenbart einen Aktuator für ein Fahrzeug, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses longitudinal verlagerbar ist, wobei die Schubstange eine Verdrehsicherung mit einem Führungselement aufweist, das in einer am Gehäuse angeordneten ein- oder mehrteiligen Gleitschiene in axialer Richtung geführt ist, wobei zwischen der Gleitschiene und dem Gehäuse ein Elastomerring angeordnet ist. Der Aktuator ist dazu vorgesehen, durch das axiale Verlagern der Schubstange gegenüber dem Gehäuse eine Einstellung eines Lenkwinkels von mit dem Aktuator wirkverbundenen Fahrzeugrädern an einer Hinterachse des Fahrzeugs auszuführen. Die DE102018130228 B3 beschreibt hierfür eine Sensorvorrichtung, umfassend zumindest ein Sensorelement und ein Messobjekt, wobei das Messobjekt am Führungselement angeordnet und mit dem zumindest einen Sensorelement, welches zumindest mittelbar am Gehäuse befestigt ist, wirksam verbunden ist. Das zumindest eine Sensorelement kann dabei gehäusefest angeordnet sein, wobei das Messobjekt als Sensorgegenstück im Führungselement integriert ist und mit dem zumindest einen Sensorelement zusammenwirkt.
Es existieren Linearpositionssensoren, die den vollen Stroke mit einer begrenzten Genauigkeit abdecken. Für viele Anwendungen ist jedoch eine erhöhte Genauigkeit nötig.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine vorteilhafte Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs bereitzustellen, die eine verbesserte Messung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei die Sensoranordnung mithilfe einer Leiterplatte ausgebildet ist,
wobei die Sensoranordnung einen ersten Positionssensor mit einer ersten Spulenanordnung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung einen zweiten Positionssensor mit einer zweiten Spulenanordnung aufweist,
wobei die erste Spulenanordnung in einem ersten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet ist,
wobei die zweite Spulenanordnung in einem zweiten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet ist.
Die Verwendung eines einzelnen Positionssensors mit Spulen, insbesondere eines Wirbelstromsensors, alleine hätte den Nachteil, dass zwar ein vergleichsweise großer Messbereich abgedeckt werden kann, insbesondere über den gesamten Stroke, die Messgenauigkeit dabei jedoch vergleichsweise gering ist, was für unterschiedliche Anwendungen zu unzureichenden Ergebnissen führt.
Erfindungsgemäß kann dieser Nachteil überwunden werden. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst hierbei zusätzlich zu einem ersten Positionssensor ferner einen zweiten Positionssensor. Die Spulenanordnungen des ersten und zweiten Positionssensors sind dabei in unterschiedlichen Teilschichtsystemen einer Leiterplatte, insbesondere eines PCBs (printed circuit boards), ausgebildet. Hierdurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung bei einer Aufsicht auf die Leiterplatte einen Überlapp ausbilden. Somit kann ein Teilbereich des gesamten Messbereichs des ersten Positionssensors vorteilhafterweise auch durch den zweiten Positionssensor vermessen werden. Es kann somit eine verbesserte Genauigkeit in einem Teilbereich des Gesamtmessbereichs erzielt werden. Für diverse Anwendungen ist eine derart erhöhte Messgenauigkeit nicht über den kompletten Stroke bzw. den kompletten Messbereich der Sensoranordnung nötig, sondern lediglich über einen Teilbereich. Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann somit eine kosteneffiziente Sensoranordnung erreicht werden, die auch hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügt.
Durch die Verwendung des ersten Teilschichtsystems und des zweiten Teilschichtsystems ist ein Tiefenversatz der zweiten Spulenanordnung relativ zur ersten Spulenanordnung möglich. Hierdurch wird der verfügbare Raum der Leiterplatte vorteilhaft genutzt, um einen zweiten Positionssensor auszubilden.
Die Sensoranordnung ist vorzugsweise als Wirbelstromsensor ausgebildet. Die Sensoranordnung ist zur Detektion einer Position eines Messobjekts, insbesondere eines Targets, eingerichtet. Vorzugsweise sind sowohl der erste Positionssensor als auch der zweite Positionssensor zur Positionsmessung mithilfe des Messobjekts der Sensoranordnung ausgebildet. Das Messobjekt ist vorzugsweise elektrisch leitfähig ausgebildet. Beispielsweise ist das Messobjekt aus Metall, insbesondere Aluminium, gefertigt. Das Messobjekt ist relativ zum ersten Positionssensor, insbesondere relativ zur ersten Spulenanordnung, und relativ zum zweiten Positionssensor, insbesondere relativ zur zweiten Spulenanordnung, beweglich angeordnet. Die Position des Messobjekts kann mithilfe des ersten und zweiten Positionssensors ermittelt werden. Somit kann insbesondere ein Lenkwinkel einer Lenkung mithilfe der Sensoranordnung ermittelt werden. Vorzugsweise sind der erste und zweite Positionssensor als Linearsensoren ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die mithilfe der Sensoranordnung erfassten Messsignale zur weiteren Auswertung einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt werden können.
Es ist denkbar, dass das erste Teilschichtsystem eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten umfasst. Es ist denkbar, dass das zweite Teilschichtsystem eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten umfasst. Es ist denkbar, dass zwischen benachbarten leitfähigen Schichten elektrisch isolierende Schichten ausgebildet sind.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist insbesondere für eine Hinterachslenkung, eine Electric-power-steering-Lenkung (EPS-Lenkung) oder eine Steer-by-wire-Lenkung verwendbar. Bei einer Steer-by-wire-Lenkung handelt es sich insbesondere um eine Lenkung, bei der ein Lenkbefehl von einem Sensor, insbesondere dem Lenkrad, über ein Steuergerät, vorzugsweise ausschließlich, elektrisch zum elektromechanischen Aktor, der den Lenkbefehl ausführt, weitergeleitet wird. Es besteht bei einem solchen System insbesondere keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass das erste Teilschichtsystem zwischen dem zweiten Teilschichtsystem und einem Messobjekt, insbesondere einem Target, der Sensoranordnung angeordnet ist. Die zweite Spulenanordnung ist somit vorzugsweise weiter entfernt von dem Messobjekt angeordnet als die erste Spulenanordnung. Es hat sich gezeigt, dass die Anordnung der zweiten Spulenanordnung in größerer Entfernung zum Messobjekt die Funktionsweise nicht einschränkt. Es ist insbesondere denkbar, dass ein Kern der Leiterplatte, insbesondere ein „PCB-Core“, zwischen der zweiten Spulenanordnung und dem Messobjekt angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die Sensoranordnung eine oder mehrere Senderspulen aufweist, wobei die Senderspulen vorzugsweise in dem ersten Teilschichtsystem der Leiterplatte ausgebildet sind. Die eine oder mehreren Senderspulen sind typischerweise um die erste Spulenanordnung angeordnet und/oder umgeben diese. Die eine oder die mehreren außenliegenden Senderspulen induzieren ein Messsignal in die innenliegende erste und zweite Spulenanordnung, wobei ein Teil des ausgesendeten Feldes durch die Wirbelströme in dem beweglichen, elektrisch leitfähigen Messobjekt abgeschirmt wird, sodass die resultierende induzierte Spannung in der ersten und/oder zweiten Spulenanordnung eine Information über die Position des Messobjekts gibt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die erste Spulenanordnung eine oder mehrere erste Spulen aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung eine oder mehrere zweite Spulen aufweist. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen des zweiten Positionssensors weisen vorzugsweise eine größere Wicklungsdichte, insbesondere eine höhere Anzahl an Wicklungen pro Länge, auf als die eine oder die mehreren ersten Spulen des ersten Positionssensors. Somit ist eine erhöhte Messgenauigkeit mithilfe des zweiten Positionssensors erzielbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der zweite Positionssensor zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors ausgebildet ist. Es ist beispielsweise denkbar, dass es sich bei dem Teilbereich des Messbereichs um einen zentralen Teilbereich des Gesamtmessbereichs des ersten Positionssensors handelt. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise für eine Hinterachslenkung, eine Electric-power-steering-Lenkung oder eine Steer-by-wire-Lenkung, ist eine erhöhte Messgenauigkeit in einem derartigen zentralen Teilbereich wünschenswert. An den Rändern der Spulen des ersten Positionssensors können von den senkrechten Teilen der Senderspulen unerwünschte Offsets in den Sensor induziert werden. Es ist daher besonders vorteilhaft, dass der genauer vermessbare Teilbereich, der von dem zweiten Positionssensor abgedeckt wird, eher mittig bzw. zentral liegt. Es ist alternativ jedoch beispielsweise denkbar, dass der Teilbereich ein Randbereich des Messbereichs des ersten Positionssensors ist. Die Lage des Teilbereichs innerhalb des Messbereichs ist vorzugsweise an die Anwendung der Sensoranordnung angepasst und/oder in Abhängigkeit der Anforderungen an die Sensoranordnung während der Anwendung der Sensoranordnung gewählt. Die Lage des Teilbereichs innerhalb des Messbereichs ist insbesondere durch die Wahl der Position der zweiten Spulenanordnung relativ zur ersten Spulenanordnung festgelegt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Teilbereich weniger als 10% des gesamten Messbereichs des ersten Positionssensors ausmacht. Es ist beispielsweise denkbar, dass der gesamte Verfahrbereich bzw. Messbereich 2*35 mm ist und der Teilbereich 2*2.5 mm.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der zweite Positionssensor eine höhere Auflösung und/oder Genauigkeit, insbesondere bezüglich einer Positionsmessung mithilfe des Messobjekts, aufweist als der erste Positionssensor. Die eine oder die mehreren ersten Spulen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass der gesamte zu messende Stroke der Lenkung mithilfe der einen oder der mehreren ersten Spulen messbar ist. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen decken einen im Vergleich zu den ersten Spulen kleineren Teilbereich des gesamten Messbereichs ab, der mithilfe der einen oder der mehreren zweiten Spulen mit erhöhter Genauigkeit vermessen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die eine oder die mehreren ersten Spulen teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder
dass die eine oder die mehreren zweiten Spulen teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind. Die eine oder die mehreren zweiten Spulen sind dabei im Vergleich zu der einen oder den mehreren ersten Spulen in Verfahrrichtung des Targets (bzw. Längsrichtung der Sensoranordnung) gestaucht, da die eine oder die mehreren zweiten Spulen lediglich über einen Teilbereich des gesamten Messbereichs der Sensoranordnung ausgebildet sind. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit in dem Teilbereich gesteigert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, Electric-power-steering-Lenkung oder Steer-by-wire-Lenkung, wobei die Lenkung eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst,
bevorzugt wobei mithilfe der Sensoranordnung ein Lenkwinkel der Lenkung ermittelbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist es denkbar, dass die Lenkung einen Aktuator aufweist, der eine Schubstange umfasst, die innerhalb eines Gehäuses oder zumindest relativ zu einem Gehäuse longitudinal verlagerbar ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, gehäusefest angeordnet ist, wobei die Leiterplatte, aufweisend die erste und zweite Spulenanordnung, direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Messobjekt, insbesondere das Target, direkt oder mittelbar mit der Schubstange verbunden ist, wobei die Leiterplatte, aufweisend die erste und zweite Spulenanordnung, gehäusefest angeordnet ist. In beiden Fällen kann mithilfe der Sensoranordnung die relative axiale Position der Schubstange gegenüber dem Gehäuse ermittelt werden. Hierdurch ist der Lenkwinkel ermittelbar. Der Lenkwinkel bezieht sich dabei insbesondere auf die Lenkwinkelstellung der Räder der Achse des Fahrzeugs, die der Lenkung zugeordnet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder eine Lenkung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei eine Position eines Messobjekts mithilfe der Sensoranordnung gemessen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt denkbar, dass - bei einer Positionierung des Messobjekts in dem Teilbereich des Messbereichs des ersten Positionssensors -
eine Position des Messobjekts zumindest mithilfe eines Messsignals des zweiten Positionssensors ermittelt wird. Es ist denkbar, dass innerhalb des Teilbereichs ausschließlich das Messsignal zweiten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet wird. Es ist alternativ denkbar, dass innerhalb des Teilbereichs sowohl das Messsignal des zweiten Positionssensors als auch das Messsignal des ersten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet wird. Außerhalb des Teilbereichs wird vorzugsweise das Messsignal des ersten Positionssensors zur Ermittlung der Position des Messobjekts verwendet. Vorzugsweise wird im Betrieb der Sensoranordnung ein hochfrequenter Wechselstrom durch die eine oder die mehreren Senderspulen geleitet, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Das so erzeugte magnetische Feld wirkt auf das Messobjekt bzw. das Target und induziert einen Wirbelstrom im Messobjekt. Das Gegenfeld der Wirbelströme schirmt das Senderfeld der Senderspulen ab, sodass eine Art „Feldschatten“ für das magnetische Senderfeld entsteht. Die Messsignale der ersten und/oder zweiten Spulenanordnung sind somit abhängig von der Position des Messobjekts entlang des Verfahrwegs des Messobjekts.
Es ist vorzugsweise denkbar, dass die Messsignale des ersten Positionssensors und des zweiten Positionssensors zur weiteren Verwendung und/oder Analyse einer Steuer- und Auswerteeinheit bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass die weitere Verwendung und/oder Analyse der Messsignale computerimplementiert erfolgt.
Für die erfindungsgemäße Lenkung, das erfindungsgemäße Fahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsmessung können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung beschrieben worden sind. Für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, die erfindungsgemäße Lenkung und das erfindungsgemäße Fahrzeug können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsmessung oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsmessung beschrieben worden sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigen:

1 eine Hinterachslenkung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt;
2 eine Ausführungsform einer Electric-Power-Steering-Lenkung;
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht durch die Anordnung der 3;
5a eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5b Simulationen für die magnetische Flussdichte B;
6 eine Schnittansicht einer Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8a eine Aufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8b eine Ansicht der Sensoranordnung gemäß der 8a von unten;
9a simulierte Signale der ersten Spulen der ersten Spulenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9b simulierte Signale der zweiten Spulen der zweiten Spulenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 einen atan2 bzw. eine Winkelausgabe in Abhängigkeit der Position des Messobjekts für einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist eine Hinterachslenkung für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Hinterachslenkung umfasst ein Gelenk 1 für die Anbindung der Spurstange. Ferner sind ein Motor 2 und der Riemenantrieb 3 sowie eine Getriebeeinheit 4 dargestellt. Die Hinterachslenkung weist ein elektronisches Steuergerät 5 (ECU) auf, das an dem Motor 2 montiert ist. Ferner ist eine Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorhanden. Die Sensoranordnung ist insbesondere als Linearsensoranordnung ausgebildet, mit der eine Positionsänderung der Lenkstange gegenüber einem Gehäuse ermittelbar ist, sodass ein Einschlag- bzw. Lenkwinkel ermittelbar ist.
In 2 ist eine Ausführungsform einer Electric-Power-Steering-Lenkung für ein Fahrzeug gezeigt, in die eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integrierbar ist.
In 3 ist ein Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere ist ein erster Positionssensor 20 dargestellt, der als Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Der erste Positionssensor 20 umfasst mehrere erste Spulen 21, 22, 23, 24, die innerhalb einer Fläche ausgebildet sind und sich jeweils kosinusförmig bzw. sinusförmig erstrecken. Insgesamt umfasst der erste Positionssensor vier erste Spulen 21, 22, 23, 24. Diese ersten Spulen 21, 22, 23, 24, bilden gemeinsam die erste Spulenanordnung des ersten Positionssensors. Bei den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 handelt es sich um die Empfangsspulen des ersten Positionssensors 20. Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 wird von zwei Senderspulen 50, 51 umgeben. Die Senderspulen 50, 51 sind vorzugsweise in der gleichen Fläche ausgebildet wie die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 und liegen außen um die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 bzw. umgeben diese. Die Senderspulen 50, 51 können mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden, so dass sie ein magnetisches Feld erzeugen. Oberhalb der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 ist ein elektrisch leitfähiges Messobjekt 60 angeordnet. Das Messobjekt ist relativ zur Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 beweglich. Das Messobjekt 60 beeinflusst das magnetische Feld und somit das Messsignal der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 in Abhängigkeit seiner Position.
Der erste Positionssensor 20 umfasst gemäß der dargestellten Ausführungsform somit insbesondere zwei Teilsensoren, die jeweils eine Senderspule 50, 51 und zwei Empfangsspulen 21, 22, 23, 24 aufweisen, wobei die Empfangsspulen jeweils eine Sinusform bzw. Kosinusform haben. Die Messsignale sind somit sinus- bzw. kosinusförmig. Der Zusammenhang zwischen der Messobjektsposition und dem Messsignal ist dabei linear (Arcustangensfunktion).
In 4 ist eine Schnittansicht durch die Anordnung der 3 schematisch dargestellt. Zwischen einer Oberlage 52 und einer Unterlage 53 des Positionssensors 20 sind Durchkontaktierungen 55, insbesondere Via, ausgebildet, die die beiden Lagen 52, 53 verbinden. Im mittleren Bereich 58 ist die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 ausgebildet. In äußeren Bereichen 57, 57` befinden sich die Senderspulen 50, 51.
In 5a ist eine schematische Ansicht eines Teils einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend der 3 gezeigt. Die Pfeile 200, 201 geben die Blickrichtung für die 5b an. In 5b sind Simulationen für die magnetische Flussdichte B dargestellt. Der linke Teil der 5b zeigt dabei einen lokalen Zustand in Abwesenheit des Messobjekts 60 und der rechte Teil der 5b zeigt eine Simulation der magnetischen Flussdichte in Anwesenheit des Messobjekts 60. Das magnetische Feld geht von den Senderspulen 50, 51 aus. Änderungen des magnetischen Felds induzieren eine messbare elektrische Spannung in der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24. Im Bereich des Messobjekts 60 (siehe rechter Teil der 5b) wird das magnetische Feld der Senderspulen 50, 51 abgeschirmt, sodass sich ein Schirmeffekt, dargestellt durch den Pfeil 100, ergibt. Diese Abschirmung erfolgt durch Wirbelströme im leitfähigen Messobjekt 60. Die in der Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 induzierte elektrische Spannung wird somit beim Überfahren der Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 durch das Messobjekt 60 geändert bzw. moduliert. Hierdurch ist eine Positionsmessung des Messobjekts 60 möglich.
In 6 ist eine Schnittansicht einer Leiterplatte 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Leiterplatte 80 ist insbesondere als printed circuit board (PCB) ausgebildet. Die Leiterplatte umfasst ein erstes Teilschichtsystem 81 und ein zweites Teilschichtsystem 82, die sich parallel zueinander erstrecken. Zwischen dem ersten und zweiten Teilschichtsystem 81, 82 ist ein Kern 97 der Leiterplatte 80 angeordnet. Das erste Teilschichtsystem 81 ist dabei an der dem Messobjekt 60 zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet. Das erste Teilschichtsystem 81 liegt somit zwischen dem zweiten Teilschichtsystem 82 und dem Messobjekt 60.
Das erste Teilschichtsystem 81 umfasst zwei leitfähige Schichten 91, 92, insbesondere Kupferschichten. Zwischen den leitfähigen Schichten 91, 92 sind eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten 95 angeordnet. Das zweite Teilschichtsystem 82 umfasst zwei leitfähige Schichten 93, 94, insbesondere Kupferschichten. Zwischen den leitfähigen Schichten 93, 94 sind eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten 96 angeordnet.
Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors 20 ist im ersten Teilschichtsystem 81, insbesondere mithilfe einer oder beider der leitfähigen Schichten 91, 92 des ersten Teilschichtsystems 81, ausgebildet. Die zweite Spulenanordnung 31, 32 des zweiten Positionssensors 30 ist im zweiten Teilschichtsystem 82, insbesondere mithilfe einer oder beider der leitfähigen Schichten 93, 94 des zweiten Teilschichtsystems 82, ausgebildet. Die Senderspulen 50, 51 sind vorzugsweise im ersten Teilschichtsystem 81 ausgebildet.
In 7 ist ein Teil einer Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere ist die zweite Spulenanordnung 31, 32 eines zweiten Positionssensors 30 gezeigt. Die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 ist hingegen nicht dargestellt. Die zweite Spulenanordnung umfasst zwei zweite Spulen 31, 32. Die zweiten Spulen 31, 32 sind lediglich in einem zentralen Teilbereich des gesamten Messbereichs der Sensoranordnung 10 ausgebildet. Sie weisen eine im Vergleich zu den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors (vgl. 3) gestauchte Sinusform bzw. Kosinusform auf. Durch diese Stauchung ist die Sensitivität der zweiten Spulen 31, 32 innerhalb des Teilbereichs des gesamten Messbereichs höher als die der ersten Spulen 21, 22, 23, 24.
In den 8a und 8b ist eine Sensoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Insbesondere sind dabei sowohl die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors 20 als auch die zweite Spulenanordnung 31, 32 des zweiten Positionssensors 30 sowie die Senderspulen 50, 51 dargestellt. Während die erste Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 zur Messung des gesamten Strokes über die gesamte Sensorlänge ausgebildet ist, ist die zweite Spulenanordnung 31, 32 lediglich in einem zentralen Teilbereich ausgebildet. In 8a ist eine Aufsicht von oben auf die Sensoranordnung 10 (also aus Richtung des Messobjekts 60) und in 8b eine Sicht von unten auf die Sensoranordnung 10 dargestellt.
Durch die Verwendung des ersten Teilschichtsystems 81 und des zweiten Teilschichtsystems 82 ist ein Tiefenversatz der zweiten Spulenanordnung 31, 32 relativ zur ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24 möglich. Hierdurch wird der verfügbare Raum der Leiterplatte 80 vorteilhaft genutzt, um zusätzlich zum ersten Positionssensor 20 einen zweiten Positionssensor 30 auszubilden, in welchem auf einem vorzugsweise stark reduzierten Verfahrweg (Stroke) eine stärkere Winkeländerung d_phi/dx beim Verfahren des Messobjekts 60 über diesen Teilbereich erfolgt (vgl. 10). Diese stärkere Winkeländerung wird insbesondere durch die Stauchung der zweiten Spulen 31, 32 des zweiten Positionssensors 30 im Vergleich zu den ersten Spulen 21, 22, 23, 24 des ersten Positionssensors 20 erreicht. Hierdurch ist die Auflösung d_phi/dx in diesem Teilbereich, insbesondere der Anstieg der Kurve bzw. des atan2 (vgl. 10), um mehrere Faktoren gegenüber dem übrigen Messbereich der Sensoranordnung 10 vergrößerbar. Die weiterhin angepasste Form der teilweise kosinus- bzw. sinusförmigen Spulen resultiert aus der notwendigen Kompensation des Offsets (Offset = induzierte Spannung bei Abwesenheit des Messobjekts).
In den 9a und 9b sind simulierte Signale der Empfängerspulen in Abhängigkeit der Position P [mm] des Messobjekts 60 gemäß der Ausgestaltung der Sensoranordnung 10 gemäß der 8a und 8b dargestellt. 9a zeigt hierbei die Signale 400, 401, 402, 403 der ersten Spulen der ersten Spulenanordnung 21, 22, 23, 24. 9b zeigt die simulierten Signale 500, 501 der zweiten Spulen der zweiten Spulenanordnung 31, 32. Während die erste Spulenanordnung zur Messung über den gesamten Verfahrweg des Messobjekts 60 ausgebildet ist, ist die zweite Spulenanordnung in einem zentralen Teilbereich des gesamten Verfahrwegs sensitiv. Hierdurch kann mithilfe der zweiten Spulenanordnung die Messgenauigkeit in diesem zentralen Teilbereich verbessert werden.
In 10 ist die Winkelausgabe [deg] des atan2 in Abhängigkeit der Position P [mm] des Messobjekts für einen ersten Positionssensor (Kurve 410) und einen zweiten Positionssensor (Kurve 510) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 ist durch die Verwendung des zweiten Positionssensors 30 im zentralen Teilbereich 600 deutlich erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Gelenk
2: Motor
3: Riemenantrieb
4: Getriebeeinheit
5: elektronisches Steuergerät
10: Sensoranordnung
20: erster Positionssensor
21, 22, 23, 24: erste Spulen
30: zweiter Positionssensor
31, 32: zweite Spulen
50, 51: Senderspulen
52: Oberlage
53: Unterlage
55: Durchkontaktierung
57, 57': äußere Bereiche
58: mittlerer Bereich
60: Messobjekt
80: Leiterplatte
81: erstes Teilschichtsystem
82: zweites Teilschichtsystem
91, 92: leitfähige Schichten des ersten Teilschichtsystems
93, 94: leitfähige Schichten des zweiten Teilschichtsystems
95: isolierende Schicht
96: isolierende Schicht
97: Kern
100: Schirmeffekt
200, 201: Blickrichtung
400 - 403: Signale der ersten Spulenanordnung
410: Kurve
500 - 501: Signale der zweiten Spulenanordnung
510: Kurve
600: Teilbereich
P: Position des Messobjekts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018130228 B3 [0004]

Claims

Sensoranordnung (10) für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei die Sensoranordnung mithilfe einer Leiterplatte (80) ausgebildet ist, wobei die Sensoranordnung (10) einen ersten Positionssensor (20) mit einer ersten Spulenanordnung (21, 22, 23, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) einen zweiten Positionssensor (30) mit einer zweiten Spulenanordnung (31, 32) aufweist, wobei die erste Spulenanordnung (21, 22, 23, 24) in einem ersten Teilschichtsystem (81) der Leiterplatte (80) ausgebildet ist, wobei die zweite Spulenanordnung (31, 32) in einem zweiten Teilschichtsystem (82) der Leiterplatte (80) ausgebildet ist.
Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Teilschichtsystem (81) zwischen dem zweiten Teilschichtsystem (82) und einem Messobjekt (60), insbesondere einem Target, der Sensoranordnung (10) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (10) eine oder mehrere Senderspulen (50, 51) aufweist, wobei die Senderspulen (50, 51) vorzugsweise in dem ersten Teilschichtsystem (81) der Leiterplatte (80) ausgebildet sind.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spulenanordnung eine oder mehrere erste Spulen (21, 22, 23, 24) aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung eine oder mehrere zweite Spulen (31, 32) aufweist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Positionssensor (30) zur Messung in einem Teilbereich eines Messbereichs des ersten Positionssensors (20) ausgebildet ist
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Positionssensor (30) eine höhere Auflösung und/oder Genauigkeit, insbesondere bezüglich einer Positionsmessung mithilfe des Messobjekts (60), aufweist als der erste Positionssensor (20).
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren ersten Spulen (21, 22, 23, 24) teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind, und/oder wobei die eine oder die mehreren zweiten Spulen (31, 32) teilweise oder vollständig sinusförmig oder kosinusförmig ausgebildet sind.
Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, Electric-power-steering-Lenkung oder Steer-by-wire-Lenkung, wobei die Lenkung eine Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, bevorzugt wobei mithilfe der Sensoranordnung (10) ein Lenkwinkel der Lenkung ermittelbar ist.
Fahrzeug, aufweisend eine Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eine Lenkung nach Anspruch 8.
Verfahren zur Positionsmessung mithilfe einer Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Position eines Messobjekts (60) mithilfe der Sensoranordnung (10) gemessen wird.