DE60206201T2

DE60206201T2 - Linearer Positionssensor ohne Kontakt

Info

Publication number: DE60206201T2
Application number: DE60206201T
Authority: DE
Inventors: Asad M. Los Angeles Madni; Jim B. Northridge Vuong
Original assignee: BEI Sensors and Systems Co LLC
Current assignee: BEI Sensors and Systems Co LLC
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: EP1225426B1; JP2002340611A; US6448759B2; US20010005133A1; DE60206201D1; EP1225426A2; EP1225426A3

Description

EINFÜHRUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen berührungslosen, linearen Positionssensor für Bewegungssteuerungsanwendungen und steht in Beziehung zu der in unserem US-Patent Nr. 6,304,076 offenbarten Erfindung.
HINTERGRUND:
Um die derzeit im Fahrzeugbereich, in der Industrie und in der Luft- und Raumfahrtindustrie üblichen strengen Anforderungen bezüglich Funktionssicherheit und MTBF zu erfüllen, müssen Positionssensoren eine berührungslose Konstruktion aufweisen. Im Fahrzeugbereich muss das Design für niedrige Kosten, große Volumina und hohe Zuverlässigkeit geeignet sein. Das US-Patent Nr. 6,304,076 offenbart und beansprucht einen winkligen Positionssensor, welcher beispielsweise im Fahrzeugbereich zum Bestimmen der Drehung einer Lenksäule von Nutzen ist. Derselbe Typ eines berührungslosen Positionssensors kann auch dafür angepasst werden, das Drehmoment einer Lenksäule zu bestimmen, wie in unserer gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennr. 09/527,088, eingereicht am 16. März 2000, mit dem Titel BERÜHRUNGSLOSER DREHMOMENTSENSOR, und dem derzeitigen Anmelder genehmigt, offenbart ist. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf für einen linearen Positionssensor, beispielsweise für einen Sensor, der mit einem Schwingspulen-Aktuator verwendet werden kann, um eine eingebaute Feedback-Steuerung für Bewegungssteuerungsanwendungen vorzusehen.
Das US-Patent Nr. 4,697,144 beschreibt eine Positionssensorvorrichtung, bei der sich ein nicht unter Spannung stehendes Element in Bezug zu einem unter Spannung stehenden, primären Kernsystem und einem sekundären Kernsystem bewegt. Das nicht unter Spannung stehende Element agiert als Fließkoppler zwischen den zwei Kernsystemen.
Das US-Patent Nr. 4,737,698 beschreibt einen Sensor mit einer Erregungswicklung und einer sekundären Wicklung zusammen mit einem Leitungsschirm, in welchem Wirbelströme in Anwesenheit eines Antriebsfeldes erzeugt werden, welches durch die sekundäre Wicklung detektiert wird.
ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Es ist daher ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen berührungslosen, linearen Positionssensor für bewegungsgesteuerte Anwendungen vorzusehen.
In Übereinstimmung mit dem oben genannten Ziel ist ein berührungsloser, linearer Positionssensor nach Anspruch 1 vorgesehen.
Der Positionssensor zum Erfassen einer geradlinigen Bewegung eines Objekts entlang einer Achse umfasst ein Paar in Abständen angeordneter, im Wesentlichen geradliniger Funkübertragungs- und Funkempfangsabschnitte, welche auf der Achse nebeneinander einander zugewandt angeordnet sind, mit einem dazwischen angeordneten Kopplungsabschnitt, wobei das Kopplungselement entlang der Achse beweglich ist und mit dem Objekt verbunden ist. Der Empfangsabschnitt trägt eine vorbestimmte Anzahl Induktivspulen, welche abschnittsmäßig in einem geradlinigen Muster an verschiedenen Positionen entlang des Empfangsabschnitts angeordnet sind. Der Übertragungsabschnitt trägt Spulmittel in einem geradlinigen Muster, ähnlich dem Empfangsabschnitt und betrieben durch eine Signalquelle mit einer vorbestimmten Radiofrequenz für eine Induktivkopplung mit den Spulen des Empfangsabschnitts. Der Kopplungsabschnitt trägt wenigstens ein symmetrisches Leitungsmuster zum Abschwächen der Induktivkopplung, wobei das Muster lineare Positionen maximaler und minimaler Abschwächung bezüglich jeder der Vielzahl der von dem Empfangsabschnitt getragenen Induktivspulen aufweist, wobei Zwischenpositionen des Musters zwischen Maximum und Minimum im Wesentlichen anteilsmäßige Abschwächungen vorsehen. Mittel, welche mit den von dem Empfangsabschnitt getragenen Spulen verbunden sind, demodulieren und summieren induzierte, übertragene Signale von der Signalquelle für jede lineare Position des Kopplers, wobei die Summierung eine im Wesentlichen sinusförmige Wellenform erzeugt, deren Phasenverschiebung sich proportional zu der linearen Bewegung des Kopplerabschnitts verändert. Mittel zum Erfassen der Phasenverschiebung sind vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht des Übertragungs- und des Empfangsabschnitts eines winkligen Positionssensors, wie in dem oben genannten US-Patent Nr. 6,304,076 offenbart.
2 ist eine Draufsicht einer Kopplerscheibe, wie sie in dem winkligen Positionssensor der oben genannten Stammanwendung verwendet wird, in Verbindung mit dem Übertragungs- und dem Empfangsabschnitt aus 1.
3A ist eine vereinfachte Draufsicht eines Übertragungsabschnitts der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine vereinfachte Draufsicht eines Gleit- oder Kopplerabschnitts der vorliegenden Erfindung.
3C ist eine vereinfachte Draufsicht eines Empfangsabschnitts der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein vereinfachtes Kreislaufschema, welches die vorliegende Erfindung darstellt.
5 ist ein detailliertes Schema eines Teils aus 4.
Die 6A, 6B, 6C und 6D sind Wellenformen, welche den Betrieb der Erfindung erläutern.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingspulenaktuators mit dem Positionssensor der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Endansicht entlang der Linie 8/8 in 7.
9A ist eine weitere Erläuterung der 3B.
9B ist die charakteristische Kurve der in 9A vorgesehenen elektrischen Ausgabe.
9C ist eine alternative Ausführungsform der 9A.
9D ist eine charakteristische Ausgabe der in 9C gezeigten alternativen Ausführungsform.
9E ist eine alternative Ausführungsform der 9A.
9F ist eine charakteristische Ausgabe der in 9E gezeigten alternativen Ausführungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN:
Mit Bezug zu den 1 und 2 zeigen diese den Winkelpositionssensor der Stammanwendung, bei welcher die Scheibe 10 sowohl den Übertragungs- als auch den Empfangsabschnitt bzw. die Übertragungs- und die Empfangsscheibe zeigt, welche sechs identische Peilantennenspulen umfasst, die für den Übertragungsabschnitt T1–T6 und für den Empfangsabschnitt R1–R6 bestimmt sind. Eine Kopplerscheibe 11, wie in 2 dargestellt, ist zwischen der Übertragungsscheibe und der Empfangsscheibe eingeschlossen und eine Rotation des halbmondförmigen Leitungsabschnitts der Kopplerscheibe bewirkt eine Phasenverschiebung bei den Signalen der Empfangsspulen, welche proportional zu einer Dreh- oder Winkelverlagerung ist. Wie in 1 dargestellt ist, sind die Spulen um 60° beabstandet.
Die vorliegende Erfindung verwendet das oben genannte Prinzip zum Messen einer linearen Verlagerung. So ist 3A ein Übertragungsabschnitt 13 mit sechs Induktivspulen T1–T6, welche in einer geradlinigen Form mit einem Gesamtabstand L_a mit einer Breite L₀ angeordnet sind. Ein ähnlicher geradliniger Empfangsabschnitt 14, 3C, umfasst ähnliche Empfangsspulen R1–R6 und umfasst eine integrierte Spezialelektronik-Schalteinheit 15, um Ausgabespannungen R_out vorzusehen, die für jede Empfangsspule bestimmt sind. Zwischen dem Übertragungsabschnitt 13 und dem Empfangsabschnitt 14 ist ein Schieber an dem Kopplerabschnitt 12 mit im Wesentlichen symmetrischen, rautenförmigen Kopplermustern 51 und 52 (siehe 3B) vorgesehen, welche leitfähig sind, wobei eine Nennlänge jedes Musters als L_c bezeichnet ist. Die Bewegung des Kopplerabschnitts in Richtung 53 schwächt die Induktivkopplung zwischen dem Übertragungsabschnitt 13 und dem Empfangsabschnitt 14 ab, um ein Ausgabesignal zu erzeugen (weiter unten beschrieben), dessen Phasenverschiebung mit dem Grad der Abschwächung variiert, welche proportional zu der linearen Verlagerung ist.
9A zeigt den Kopplerabschnitt 12, und die elektrische Signalausgabe bezüglich der Entfernung L_c ist als eine gerade Linie in 9B dargestellt. Um ein wirksames Signal zu erzeugen, ist im Allgemeinen die Gesamtlänge des Schieberabschnitts 12 wie dargestellt gleich L_c plus L₃. So müssen die Muster 51 und 52 für eine längere Verlagerung mehrfach wiederholt werden, und von einem praktischen Standpunkt aus gesehen muss ein rautenförmiger Abschnitt 51, 52 etc. mehr vorliegen als für die gesamte zu messende Entfernung erforderlich ist. Auch ist L_c im Allgemeinen gleich oder geringer als L_a. Für ein langes, mehrere Abschnitte umfassendes, symmetrisches Muster an dem Schieberabschnitt 12, ist ein Zykluszähler erforderlich, um die wirksamen Umdrehungen oder Wiederholungen zu identifizieren. Dies garantiert, dass der Übermittler und der Empfänger jederzeit der gesamten Länge des Musters auf dem Schieberabschnitt 12 ausgesetzt sind.
4 zeigt den Übertragungsabschnitt 13 und den Empfangsabschnitt 14 mit dem Schieber- oder Kopplerabschnitt 12 dazwischen, welche sich in linearer Weise bewegen, wie durch den Pfeil 53 dargestellt, zusammen mit dem Verarbeitungskreislauf für das elektrische Signal. Eine Signalquelle 17 führt ein Signal F_c zu den Spulen des Übertragungsabschnitts 13, welche induktiv mit dem Empfangsabschnitt 14 gekoppelt sind und durch den Schieberabschnitt 12 abgeschwächt werden. Das Signal 17 ist auch mit einem Digitalmischer und einem Frequenzgeber verbunden, welcher ebenfalls einen Eingang 31 und die sechs Empfangsspulen aufweist; an der Ausgabeleitung 32 wird ein Einstellungssignal (S) an das RS-Speicherglied gegeben.
Da der Koppler- oder Schieberabschnitt die Signalamplituden auf der Basis der Kopplermuster bezüglich der Position jeder Empfangsspule unterbricht und abschwächt, werden sechs Signale unterschiedlicher Amplitude gleichzeitig durch einen Verstärker A1 erzeugt und dann durch einen Tiefpassfilter und begrenzenden Verstärker A2 eingegeben. Das Ausgabesignal des Verstärkers A2 ist in den 6A, 6B, 6C und 6D dargestellt, welche vier unterschiedliche lineare Positionen des Kopplers oder Schiebers darstellen.
Mit Bezug zu 4 konvertiert der Komparator A3 diese Wellenformen dann zu einer Rechteckwelle am Ausgang 36, welche die R-Eingabe des RS-Speicherglieds antreibt. Dies erzeugt eine Pulsbreitenmodulations(PWM)-Ausgabe, wo die Pulsbreite genau proportional zu dem Umfang der Bewegung des Gleiters ist. Der Filter A4 sieht eine alternative analoge Ausgabe vor.
5 zeigt den Digitalmischer und Wellenformgenerator 16 und wie er in Bezug zu dem Transmitter und den Empfangsspulen 13 und 14 steht, einschließlich des Antriebs durch sechs lokale Oszillatorsignale L01–L06, welche bezüglich einander eine Phasenverschiebung von 60° aufweisen, z.B. durch die Anzahl von Empfangsspulen in 360°. Das Vorangehende ist in US6, 304, 076 in den 7–9 und Spalte 4, Zeile 43 bis Spalte 5, Zeile 10 beschrieben.
Ein aktuelles praktisches Beispiel des Positionssensors der vorliegenden Erfindung zum Messen der Verlagerung eines Schwingspulen-Aktuators ist in den 7 und 8 gezeigt, wobei 7 ein Schwingspulen-Aktuator 61 ist, welcher den Positionssensor beinhaltet, und wobei 8 den Positionssensor mit seinem Übertragungsabschnitt 13, dem Schieber- oder Kopplerabschnitt 12 und dem in dem Aktuator integrierten Empfangsabschnitt 14 zeigt. Der Transmitter und der Empfänger sind natürlich an dem Rahmen 62 des Schwingspulen-Aktuators mit dem Koppler oder Schieber 12 befestigt, wie am Besten in 7 zu sehen ist, wobei eine Verbindung mit dem Spulenhalter 63 besteht, welcher sich in die von Pfeil 64 angezeigte Richtung bewegt. Eine Kopplung wäre mit einer betätigten Vorrichtung, wie beispielsweise dem Stößel eines Dieselmotors oder einer Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Fahrzeughöhe denkbar. Der bewegliche Spulenhalter 63 des Aktuators 61 umfasst eine darum gewickelte röhrenförmige Spule 66, welche mit dem zylindrischen, ferromagnetischen permanenten Magneten 67 durch den Luftspalt 68 in einer technisch bekannten Weise interagiert. Der feste Außenrahmen 62 des Schwingspulenaktuators ist für einen Rückfluss aus Weicheisen gebildet und ist natürlich zylindrisch geformt. Der Schwingspulen-Aktuator kann zusammen mit der eingebauten Feedback-Steuerung verwendet werden.
Mit Bezug zu den 9 in ihren verschiedenen Formen, wie beschrieben, führt die Rautenform des symmetrischen Musters an dem in 9A dargestellten Schieberabschnitt 12 zu dem linearen Muster in 9B. Ist ein Kennzeichen zweiter Ordnung an dem einen oder dem anderen Ende der Bewegung des Schiebers 12 gewünscht, wie in 9D bzw. 9F dargestellt ist, dann können die Muster der 9C bzw. 9E vorgesehen sein, wobei in 9C die Änderungsrate zum Maximum des Musters hin größer ist und in 9E die Änderungsrate am Anfang des Musters größer ist.
So ist ein linearer Positionssensor vorgesehen.

Claims

Positionssensor zum Erfassen einer geradlinigen Bewegung eines Objekts entlang einer Achse, umfassend: ein Paar in Abständen angeordneter, im Wesentlichen geradliniger Funkübertragungs- (13) und Funkempfangsabschnitte (14), welche auf der Achse nebeneinander einander zugewandt angeordnet sind, mit einem dazwischen angeordneten Kopplungsabschnitt (12), wobei das Kopplungselement entlang der Achse beweglich ist und mit dem Objekt verbunden ist; wobei der Empfangsabschnitt (14) eine vorbestimmte Anzahl n Induktivspulen (R1–6) trägt, welche abschnittsmäßig in einem geradlinigen Muster an verschiedenen Positionen entlang des Empfangsabschnitts angeordnet sind; wobei der Übertragungsabschnitt Spulmittel in einem geradlinigen Muster trägt, ähnlich dem Empfangsabschnitt und betrieben durch eine Signalquelle (16) mit einer vorbestimmten Radiofrequenz für eine Induktivkopplung mit den Spulen des Empfangsabschnitts (14); wobei der Kopplungsabschnitt (12) wenigstens ein symmetrisches Leitungsmuster (51, 52) zum Abschwächen der Induktivkopplung trägt, wobei das Muster lineare Positionen maximaler und minimaler Abschwächung bezüglich jeder der Vielzahl n der von dem Empfangsabschnitt (14) getragenen Induktivspulen aufweist, wobei Zwischenpositionen des Musters zwischen Maximum und Minimum im Wesentlichen anteilsmäßige Abschwächungen vorsehen; einen Digitalmischer und Wellenformgenerator (16), welcher mit den n Induktivspulen (R1–6) verbunden ist und angeordnet ist, um die empfangenen Signale jeder der n Induktivspulen mit einem entsprechenden Signal einer Vielzahl lokaler Oszillatorsignale (L01–06) zu mischen, wobei jedes der lokalen Oszillatorsignale eine gleichmäßig beabstandete Phase aufweist, welche ein unterschiedliches ganzzahliges Mehrfaches von 360° geteilt durch die Anzahl n ist, wobei die ganze Zahl kleiner oder gleich n ist, Mittel zum Addieren der n gemischten Signale, wobei die Addition eine im Wesentlichen sinusförmige Wellenform erzeugt, deren Phasenverschiebung im Verhältnis zu der linearen Bewegung des Kopplungsabschnitts variiert; und Mittel zum Erfassen der Phasenverschiebung.
Positionssensor nach Anspruch 1, wobei das Kopplungsleitungsmuster zwischen dem Maximum und dem Minimum nicht linear ist.
Positionssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das gesamte Kopplungsmuster länger ist als das Übertragungsmuster.
Positionssensor nach Anspruch 3, wobei ein einziges symmetrisches Kopplungsmuster gleich oder kürzer ist als das entsprechende Übertragungsmuster.
Positionssensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die tatsächliche lineare Messdistanz des Kopplungsabschnitts um Eins kleiner ist als die Vielzahl symmetrischer Kopplungsmuster.