DE19619113A1 - Einrichtung zur Positionserfassung einer beweglichen Komponente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Positionserfassung einer be­ weglichen Komponente, insbesondere an Brennkraftmaschinen oder in Kraftfahrzeugen, nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentan­ spruches 1.

Aus der DE 37 24 917 ist es bekannt, eine vorgegebene Bahn einer be­ weglichen Komponente in zwei Stellbereiche, die unterschiedlich gewich­ tet sind, zu unterteilen, wobei ein wichtigerer Stellbereich wesentlich klei­ ner ist als der weniger wichtige Stellbereich. Jedem Stellbereich wird ein linearer, sich über einen maximal möglichen Meßbereich erstreckender elektrischer Signalverlauf eines Positionssensors zugeordnet. Dadurch weist der dem wichtigeren und kürzeren Stellbereich zugeordnete Signal­ verlauf eine wesentlich größere Steilheit auf als der dem weniger wichti­ gen und längeren Stellbereich zugeordnete Signalverlauf. Da bei dieser bekannten Schaltungsanordnung nur ein einziger Sensor verwendet wird, ist beim Übergang vom wichtigen zum weniger wichtigen Stellbereich eine Unstetigkeit dem elektrischen Signalverlauf über des gesamten vorgege­ benen Bahn beziehungsweise dem gesamten maximal möglichen Meßbe­ reich notwendig, der zu regelungstechnischen Problemen, insbesondere bei Pendeln des Sensorsignalwertes um die Unstetigkeitsstelle, führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Positionserfassung einer beweglichen Komponente, insbesondere an Brennkraftmaschinen oder in Kraftfahrzeugen derart zu verbessern, daß redundante elektrische Sensorsignale geschaffen werden, regelungs­ technische Probleme vermieden werden und bei einfachem Fertigungs­ aufwand die Auflösegenauigkeit ausreichend hoch ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß der Meßbereich wenigstens zwei Meßbereichabschnitte aufweist, die im weitestgehend gesamten Verstellbereich der beweglichen Komponente angeordnet sind, wobei jedem Meßbereichabschnitt eine eigene Positionserfassungseinrichtung zugeordnet ist, ist der Vorteil ge­ geben, daß bei Ausfall einer Positionserfassungseinrichtung auf die wei­ tere, noch intakte Positionserfassungseinrichtung zurückgegriffen werden kann, so daß eine redundante Einrichtung zur Positionserfassung zur Verfügung steht. Weiterhin ist es von Vorteil, daß sich über den gesamten Verstellbereich die beiden Meßbereichabschnitte derart einander ergän­ zen, daß beispielsweise mit der einen Positionserfassungseinrichtung eine grobe Positionserfassung und mit der weiteren Positionserfassungs­ einrichtung eine feine Positionserfassung durchgeführt wird. Weiterhin ist von Vorteil, daß beide Meßbereichsabschnitte beziehungsweise die zu­ geordneten Positionserfassungseinrichtungen als Serienteile hergestellt werden können und damit umständliche beziehungsweise aufwendige Konstruktionen vermieden werden. Die Meßbereichabschnitte selber kön­ nen in einfacher Weise an der beweglichen Komponente angeordnet sein oder ein Bestandteil derselben sein.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Meßbereichabschnitte derart aus­ gebildet, daß die jeweils zugeordneten Positionserfassungseinrichtungen voneinander unterschiedliche Ausgangssignale liefern. Dies hat den Vor­ teil, daß, wie schon ausgeführt, beispielsweise eine grobe und eine feine Positionserfassung vorgenommen werden kann, wobei dann, wenn ein weiter Verstellbereich kurzzeitig eingestellt werden soll, auf die grobe Positionserfassung zurückgegriffen wird, während die feine Positionser­ fassung angewendet wird, wenn der Verstellbereich kurz ist.

Es ist vorteilhaft die Meßbereichabschnitte als Teilkreis- oder Vollkreis­ scheiben auszubilden, wobei die Scheiben Unterteilungen wie Schlitze, Löcher, Öffnungen oder dergleichen aufweisen. Damit ist eine konstruktiv einfache Ausbildung der Meßbereichabschnitte vorgeschlagen, die dann von Vorteil ist, wenn die bewegliche Komponente im wesentlichen eine Drehbewegung ausführt. Die Unterteilungen sind in vorteilhafter Weise kreisförmig angeordnet, wobei auch eine Anordnung auf einer Spiralbahn oder einer ähnlichen Bahn denkbar ist.

Die Meßbereichabschnitte können auch als Linearabschnitte ausgebildet sein, wobei die Linearabschnitte Unterteilungen wie Schlitze, Bohrungen, Langlöcher oder dergleichen aufweisen. Diese Ausgestaltung ist dann von Vorteil, wenn die bewegliche Komponente im wesentlichen eine Linearbewegung (Hin- und Herbewegung) ausführt. Selbstverständlich ist auch eine Kombination von Scheiben beziehungsweise Linearabschnitten denkbar, die insbesondere dann Verwendung findet, wenn die bewegliche Komponente sowohl im wesentlichen eine Dreh- als auch im wesentlichen eine Linearbewegung, also eine Kombination von beiden Bewegungen, ausführt.

In Weiterbildung der Erfindung bilden die Unterteilungen der beiden Positionserfassungseinrichtungen einen Nonius (eine Nonius-Teilung). Ähnlich der Funktionsweise einer Schieblehre zur Messung von Strecken, Durchmessern oder dergleichen ist auch hiermit die Erfassung einer Position beziehungsweise der zurückgelegte Weg beziehungsweise die zurückgelegte Umdrehung erfaßbar.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Positionserfassung und Ausführungs- und Anwendungsbeispiele sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Positionserfassungseinrichtung für lineare Bewegung,

Fig. 3 und 4 eine Positionserfassungseinrichtung für Drehbewe­ gungen,

Fig. 5 eine Ausbildung von Scheiben,

Fig. 6 eine Steuereinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Positionserfassungseinrichtung für lineare Bewegungen, daß heißt, daß die bewegliche Komponente eine im wesentlichen lineare Bewegung ausführt. Bei der beweglichen Komponente handelt es sich beispielsweise um eine Regelstange 1 einer Einspritzeinrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine, wozu die Regelstange 1 eine nicht gezeigte Verstelleinrichtung zur Einstellung der Leistung der Dieselbrennkraftma­ schine aufweist. Eine Positionserfassungseinrichtung 2 für die Regel­ stange 1 weist einen Meßbereich 3 auf, der gebildet ist von einem Innen­ rohr 4 und einem Außenrohr 5, wobei das Innenrohr 4 ein Lochbild 6 so­ wie das Außenrohr 5 ein Lochbild 7 aufweist. Die Lochbilder 6 und 7 sind im Sinne einer Nonius-Teilung zueinander angeordnet, wobei die Posi­ tionserfassungseinrichtung 2 eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweist, die sich über den Meßbereichabschnitt 3 erstrecken, wobei der Meßbereichabschnitt 3 dann zwischen der Lichtquelle und dem Licht­ empfänger bewegbar angeordnet ist. In Abhängigkeit der Übereinstim­ mung beziehungsweise der Verschiebung der Lochbilder 6 und 7 zuein­ ander ergeben sich unterschiedliche Lichtintensitäten, die ein Maß für die Position der Regelstange 1 darstellen.

Eine weitere Ausgestaltung einer Positionserfassungseinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 ist dargestellt, daß an der Regelstange 1 eine Gabel 8 befestigt ist, die als Linearabschnitte (Meßbereichabschnitte) zwei Schenkel 9 und 10 aufweist, wobei der Schenkel 9 mit einem Lochbild 11 und der Schenkel 10 mit einem Loch­ bild 12 versehen ist, wobei wiederum die beiden Lochbilder 11 und 12 zueinander eine Nonius-Teilung bilden. Den Schenkeln 9 und 10 sind wiederum Positionserfassungseinrichtungen 2 zugeordnet, wobei mittels der dem Schenkel 9 zugeordneten Positionserfassungseinrichtung 2 eine grobe Positionserfassung und mit der dem Schenkel 10 zugeordneten Positionserfassungseinrichtung 2 eine feine Positionserfassung durch­ führbar ist. Der Meßbereichabschnitt 3 kann starr an der Regelstange 1 oder auch über eine Gelenkstelle 13 zum Ausgleich von Unförmigkeiten bei der Bewegung der Regelstange 1 befestigt sein. Darüberhinaus ist es denkbar, den Meßbereichabschnitt 3 gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Teilbereiches der Regelstange 1 in einem Gehäuse anzuordnen.

In Fig. 3 ist eine Positionserfassungseinrichtung für Drehbewegungen gezeigt. Eine Welle 14, die beispielsweise mit einer Drosselklappenwelle verbunden ist, wobei die Drosselklappenwelle eine Drosselklappe zur Einstellung der Leistung einer Brennkraftmaschine trägt, handelt. An der Welle 14 ist eine Scheibe 15 verbunden, die Unterteilungen aufweist. Weiterhin ist eine fest angeordnete Scheibe 16 vorgesehen, die im we­ sentlichen planparallel zu der Scheibe 15 angeordnet ist. Den Scheiben 15 und 16 sind eine Lichtquelle 17 und ein Lichtempfänger 18 zuge­ ordnet, wobei die gesamte Anordnung in einem Gehäuse 19 angeordnet ist, durch das die elektrischen Anschlüsse für die Lichtquelle 17 und den Lichtempfänger 18 herausgeführt sind. Es ist denkbar, anstelle von Licht­ quelle 17 und Lichtempfänger 18 ein Spulensystem oder ein Konden­ satorsystem vorzusehen, wobei dann die Kondensatorflächen oberhalb beziehungsweise unterhalb der Scheiben 15 und 16 angeordnet sind und diese Scheiben 15, 16 das verstellbare Dielektrikum des Kondensators bilden. Zur Abdichtung der Welle 14 gegenüber dem Gehäuse 19 ist eine Dichtung 20 vorgesehen. In Abhängigkeit davon, wie die Unterteilungen der Scheiben 15, 16 zueinander stehen, ist eine Positionserfassung mittels des Lichtempfängers 18, der die Intensität auswertet, gegeben.

Fig. 4 zeigt eine weitere Positionserfassungseinrichtung für Drehbe­ wegungen, wobei zusätzlich noch eine weitere Lichtquelle 21 sowie ein Lichtempfänger 22 vorgesehen ist, zwischen dem eine an der Welle 14 befestigte, drehbare Scheibe 23 angeordnet ist, wobei in vorteilhafter Weise die Unterteilungen der Scheiben 15 und 23 analog ausgeführt sind zu der Nonius-Teilung gemäß Fig. 2. Die Anschlüsse der Lichtquellen 17, 21 sowie der Lichtempfänger 18, 22 können getrennt voneinander oder gemeinsam aus dem Gehäuse 19 herausgeführt sein.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausbildung der Scheiben 15, 16 gemäß Fig. 3 beziehungsweise analog dazu gemäß Fig. 4. Die Scheibe 15 weist viertelkreisförmige und über den gesamten Umfang angeordnete Unterteilungen 24 auf, bei denen es sich um Ausnehmungen in der Scheibe 15 handelt, die durch Stege voneinander getrennt sind. Die Scheibe 16 weist eine im wesentlichen mondsichelförmige Unterteilung 25 auf, die schraffiert dargestellt ist. Die (eine) Positionserfassungsein­ richtung 2 ist ebenfalls gezeigt, so daß in Abhängigkeit der Stellung der Unterteilungen 24 und 25 zueinander eine Positionserfassung der Welle 14 möglich ist, da beispielsweise ausgehend von der gezeigten Position in Fig. 5 von dem Lichtempfänger 18 aufgrund der geringfügigen Über­ deckung der Ausnehmungen (Unterteilungen 24, 25) ein geringes Posi­ tionssignal abgegeben wird, das mit Drehung der Welle 14 im Uhrzeiger­ sinn (gemäß Fig. 5) zunimmt, nach nicht ganz einer halben Umdrehung seinen Maximalwert erreicht und danach wieder abnimmt. Neben den in Fig. 5 gezeigten Unterteilungen 24, 25 sind weitere Unterteilungen, wie Löcher, Langlöcher, quadratische, dreieckige oder elliptische Ausneh­ mungen denkbar, die dem jeweiligen Anwendungsfall und der geforderten Auflösung angepaßt werden können.

Fig. 6 zeigt eine Steuereinrichtung, an die die Positionserfassungsein­ richtung anschließbar ist. An einer Steuereinrichtung 26 ist beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Verstärkers 27 die Lichtquelle 17 (beziehungsweise zusätzlich die Lichtquelle 21 oder weitere Lichtquellen) angeschlossen. Eingangsseitig ist der Lichtempfänger 18 (beziehungsweise zusätzlich der Lichtempfänger 22 oder weitere Licht­ empfänger) unter Vorschaltung eines Filters 28 zur Ausfilterung uner­ wünschter Signale mit der Steuereinrichtung 26 verbunden. Zwischen der Lichtquelle 17 und dem Lichtempfänger 18 ist beispielsweise der Meß­ bereichabschnitt in Form des Innenrohres 4 und des Außenrohres 5 an­ geordnet. Der Steuereinrichtung 26 können weitere Eingangsgrößen über einen oder mehrere Sensoren, die pauschal mit 29 bezeichnet sind, zuge­ führt werden. Diese weiteren Eingangsgrößen sowie die erfaßte Position können beispielsweise für die Steuerung oder Regelung eines Systemes (beispielsweise zur Steuerung oder Regelung der Leistung einer Brenn­ kraftmaschine) herangezogen werden. So ist es beispielsweise denkbar, daß der Steuereinrichtung 26 eine Stelleinrichtung 30 zugeordnet ist, die zumindest auf die Regelstange 1 oder die nicht näher bezeichnete Drosselklappe wirkt, wodurch durch die Stelleinrichtung 30 sowie die Positionserfassungseinrichtung der Regelkreis geschlossen wird. Mit 31 ist eine weitere Stelleinrichtung bezeichnet, mit der beispielsweise ein Mehrmengenanschlag an der Regelstange 1 freigegeben oder blockiert wird, wobei dies in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur der Brenn­ kraftmaschine erfolgt, wobei die Positionserfassungseinrichtung dann den zusätzlichen Weg der Regelstange 1 ebenfalls erfaßt.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Positionserfassung einer beweglichen Komponente, insbesondere an Brennkraftmaschinen oder in Kraftfahrzeugen, mit einem an der Komponente angeordneten oder von der Komponente gebildeten Meßbereich, wobei dem Meßbereich eine Positionserfassungseinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich wenigstens zwei Meß­ bereichabschnitte aufweist, die im weitestgehend gesamten Verstellbe­ reich der beweglichen Komponente angeordnet sind, wobei jedem Meß­ bereichabschnitt eine eigene Positionserfassungseinrichtung zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbereichabschnitte derart ausge­ bildet sind, daß die jeweils zugeordneten Positionserfassungseinrichtun­ gen voneinander unterschiedliche Ausgangssignale liefern.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbereichabschnitte als Teilkreis- oder Vollkreisscheiben ausgebildet sind, wobei die Scheiben Unterteilun­ gen, wie Schlitze, Löcher, Öffnungen oder dergleichen aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbereichabschnitte als Linearab­ schnitte ausgebildet sind, wobei die Linearabschnitte Unterteilungen, wie Schlitze, Bohrungen, Langlöcher oder dergleichen aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilungen der beiden Posi­ tionserfassungseinrichtung einen Nonius (eine Nonius-Teilung) bilden.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtung eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweist, wobei der Meßbereichab­ schnitt zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger bewegbar ange­ ordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtung ein Spulensystem aufweist, wobei der Meßbereichsabschnitt zwischen zwei Spulen bewegbar angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtung einen Kondensator aufweist, wobei der Meßbereichsabschnitt zwischen zwei Kondensatorflächen bewegbar angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Komponente eine im we­ sentlichen lineare Bewegung oder eine Drehbewegung ausführt.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Komponente eine Regel­ stange einer Einspritzeinrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Komponente eine auf ei­ ner Drosselklappenwelle angeordnete Drosselklappe einer Brennkraftma­ schine ist, die mit einer Einspritzeinrichtung in Wirkverbindung steht.