Vorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung und Bremskraftverstärker mit einer solchen Vorrichtung Stand der Technik

Die Offenlegungsschrift DE 102 31 980 AI offenbart eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen einer Verschiebung über einem linearen oder radialen Maßstab. Die Vorrichtung umfasst dabei wenigstens einen Träger aus einem elektrisch isolierenden Material sowie flächige Geberelemente aus einem elektrisch leitfähigem Material. Die Geberelemente sind in Richtung entlang einer Geraden oder einem Radius hintereinander gleichartig angeordnet und bilden einen Streifen mit einer regelmäßigen Struktur. Eine Auswerteeinheit misst anhand der Wirbelstromverluste zweier Spulen die Verschiebung oder Drehung des Trägers gegenüber den Spulen.

Anhand der Differenz von Einzelmesswerten lässt sich ein Differenzweg ermitteln. Allerdings ist die Messung einer Differenz mittels Absolutwerten technisch generell schwieriger, da beispielsweise Nichtlinearitäten und Offsets die Genauigkeit stark beschränken.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung zweier Geberelemente umfasst wenigstens zwei Geberelemente und

wenigstens ein Sensorelement. Die Geberelemente sind über dem

Sensorelement angeordnet. Die Auslenkung der Geberelemente zueinander über dem Sensorelement lässt sich anhand eines Überdeckungsmaßes des Sensorelements durch die zwei Geberelemente mittels des Sensorelements bestimmen.

Diese Anordnung zweier Geberelemente über einem Sensorelement hat zum

Vorteil, dass durch Messung des Überdeckungsmaßes des Sensorelements durch die zwei Geberelemente ein Differenzweg gemessen werden kann. Durch Bewegeung der Geberelemente zueinander ändert sich die Überdeckung des Sensorlements durch die beiden Geberelemente, was zu einer Signaländerung des Sensorelements führt. Auf diese Weise ist die Relativauslenkung der Geberlemente bestimmbar. Vorteilhafterweise ist keine Messung einzelner

Auslenkungen der beiden Elemente nötig, die relative Auslenkung kann direkt ermittelt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Geberelemente sowohl gleichläufig miteinander als auch gegengläufig zueinander bewegbar angeordnet. Durch diese Anordnung der Geberelemente können sich diese gemeinsam bewegen, wodurch sich deren Relativposition nicht verändert. Ebenso können sich die Geberelemente relativ zueinander bewegen, was zur Messung eines

Relativwegs essentiell ist. Die Anordnung, die beide Arten der Bewegung der Elemente ermöglicht garantiert, dass die Sensorvorrichtung auch zwischen einer gleichlaufenden Bewegung zweier Bauteile und einer Relativbewegung zweier Bauteile unterscheiden kann, wenn die Geberelemente an den Bauteilen angebracht sind. In weiterer Ausgestaltung sind die Geberelemente horizontal in Bezug auf das

Sensorelement beweglich. Die horizontale Beweglichkeit dient dem mögllichen Versatz der Geberelemente über dem Sensorelement. Der vertikale Abstand kann konstant gehalten werden, so dass sich bei der Bewegung der

Geberelemente der Abstand zum Sensorelement nicht ändert. Somit wird auch das Signal nicht durch eine Abstandsänderung beeinflusst, die nicht Teil des

Messignals sein soll.

Die Geberelemente sind in vorteilhafter Weise vertikal über dem Sensorelement angeordnet. Dies ermöglicht eine komfortable Messung des Überdeckungsgrads.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Geberelemente in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Dazuhin sind die Geberelemente in Bezug auf das

Sensorelement vertikal versetzt. Durch die Anordnung der Geberelemente in einer Ebene ist gewährleistet, dass nicht ein Element das Signal dominiert, sondern die Geberelemente gleichmäßig zum Signal beitragen. In alternativer Ausgestaltung sind die Geberelemente zueinander vertikal versetzt angeordnet. Ferner ist jedes Geberelement auch zu dem Sensorelement vertikal versetzt angeordnet. Auf diese Weise lässt sich die Erfindung auch mit einer Anordnung realisieren, in der die Gebereelemente und das Sensorelement zueinander gestapelt angeordnet sind. Dies kann zu einer Platzeinsparung beim Verbau der Sensoranordnung führen.

In Ausgestaltung können die Geberelemente zueinander verkippt sein. Eine solche Verkippung führt dazu, dass sowohl bei Gleichlauf der Geberelemente, als auch bei einer Relativbewegung der Geberelemente zueinander eine

Signaländerung hervorgerufen wird. Dadurch ist eine Messung beider

Bewegungsarten möglich.

In vorteilhafter Weise sind die Geberelemente derart zueinander verkippt, dass ein Spalt zwischen den Geberelementen eine über die Breite der Geberelemente veränderliche Öffnung aufweist. Diese veränderliche Öffnung führt dazu, dass bei einer Bewegung der Geberelemente im Gleichtakt eine Änderung des

Überdeckungsmaßes des Sensorelements durch die Geberlemente erfolgt, obwohl sich die Geberelemente nicht relativ zueinander bewegen.

In vorteilhafter Ausgestaltung entspricht das Überdeckungsmaß des

Sensorelements der Projektionsfläche der Geberelemente auf die sensitive Fläche des Sensorelements.

Vorteilhaft ist die Projektionsfläche eine Projektion vertikal auf das

Sensorelement. Die vertikale Ausrichtung ist dabei in Bezug auf das

Sensorelement zu sehen.

In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Sensorelement eine Spule. Das Signal des Sensorelements entsteht induktiv durch die Bewegung der

Geberelemente über dem Sensorelement. Durch das induktive Entstehen des Signals ist eine berührungslose Messung der Relativauslenkung der

Geberelemente möglich. Die Geberelemente sind frei beweglich über dem Sensorelement angeordnet, und das Signal entsteht durch Positionsänderung der Geberelemente induktiv im Sensorelement.

In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Geberelemente metallisch, insbesondere aus Aluminium, Eisen oder Kupfer.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Bremskraftverstärker mit einer derartigen

Vorrichtung. Ein solcher Bremskraftverstärker umfasst ein Eingangselement und einen Verstärkungskorpus. Jeweils ein Geberelement ist an dem

Eingangselement sowie an dem Verstärkungskorpus angebracht. Die

Relativauslenkung von Eingangselement und Verstärkungskorpus ist anhand der Relativauslenkung der Geberelemente ermittelbar. Durch Verwendung der Geberelemente an einem Bremskraftverstärker, zu dessen Steuerung und/oder Regelung eine relative Auslenkung von Eingangsstange und Verstärkerkörper als Größe benötigt wird, kann eine relative Auslenkung direkt gemessen werden, ohne das zuerst einzelne Auslenkungen dirket gemessen werden müssen und dann beispielsweise in einem Steuergerät erst mit den damit verbundenen Nachteilen in eine Relativauslenkung umgerechnet werden zu müssen.

Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Vorrichtung.

Figuren 3a und 3b zeigen schematisch einen Bremskraftverstärker mit einer Sensorvorrichtung zur Ermittlung einer Relativauslenkung.

Figur 4 zeigt eine Anordnung zweier Geberelemente die gegeneinander verkippt sind.

Offenbarung der Erfindung Figur 1 zeigt eine Anordnung zweier Geberelemente 1 und 2 über einem Sensor 3.

Der Sensor 3 ist in der Lage ein Messsignal zu erzeugen, welches abhängig vom Bedeckungsgrad seiner sensitiven Fläche durch die Geberelemente ist. Unter einem Bedeckungsgrad kann auch ein Überdeckungsmaß verstanden werden.

Ein Überdeckungsmaß ist eine Größe, die der Bedeckung der Sensorfläche entspricht, wenn man die Projektion der Flächen der Geberelemente auf die Sensorfläche betrachtet. Aus vertikaler Richtung in Bezug auf das

Sensorelement betrachtet (in Figur 1 aus der z-Richtung) entspricht die bedeckte

Fläche dem flächenmäßigen Überlapp der Geberelemente mit dem

Sensorelement.

Der Sensor 3 kann eine Planarspule auf einer Leiterplatine sein. Eine solche Leiterplatine kann mehr als eine Ebene aufweisen. Entsprechend dem

Durchmesser, der Windungszahl und der Anzahl der Ebenen resultiert eine Induktivität der Anordnung. Bei 4-lagigen Platinen bietet sich die Verwendung der zwei oberen Ebenen der Leiterplatine an. Die dritte Ebene kann als

Rückseitenschirm verwendet werden. Auf der Rückseite können Bauelemente platziert werden. Die Indukitivität dieser Anordnung skaliert ungefähr mit dem

Quadrat der Anzahl der Ebenen.

Die Geberelemente können aus Metall gefertigt sein beispielsweise Aluminium, Eisen oder Kupfer.

Wenn die Sensorspule mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird

(beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 5...100MHz), wird in den

Geberelementen in Abhängigkeit vom Maß der Überdeckung der sensitiven Fläche des Sensors eine Spannung induziert. Diese Spannung wird durch das Material (Metall) unmittelbar kurzgeschlossen.

Der resultierende Strom erzeugt ein magnetisches Gegenfeld, welches seiner Ursache entegegen wirkt. Somit findet durch diesen resultierenden Strom eine Feldabschwächung statt, welche zu einer kleineren effektiven Induktivität der Sensorspule führt. Da die Spule mit Wechselstrom erregt wird tritt der Wirbelstromeffekt auf und es ändert sich wie beschrieben die Induktivität.

Die sich verändernde Induktivität kann mit einem Spannungsteiler bzw. einer Brückenschaltung detektiert werden. Die Verwendung eines LC-Oszialltors ist eine Alternative dazu. Dabei fungiert die Spule als frequenzbestimmendes

Element in einem Schwingkreis. Entsprechend dem Maß der Überdeckung sinkt die Induktivität. Die Frequenz steigt entsprechend an.

Der Wirbelstromeffekt basiert nur auf der Leitfähigkeit des Geberelements nicht auf den magnetischen Eigenschaften.

Die Spule kann dabei einen Durchmesser zwischen 10-30mm aufweisen, die keilförmigen Geberelemente sollten in der Breite Ausdehnungen entsprechend der Spulenbreite haben, wobei die Spulenbreite der y Richtung in Figur 1 entspricht. Die Länge des Geberelements ist offen, kann aber je nach

Anwendung in einem Bereich zwischen 2 und 20cm liegen.

Im hier gezeigten Fall sind die Geberelemente 1 und 2 über dem Sensor 3 positioniert. Die aus der Zeichenfläche herausragende Richtung entspricht der z Richtung. Unter einer Positionierung der Geberelemente 1 und 2 über dem

Sensor 3 kann auch eine Überdeckung der Flächen der Geberelemente 1 und 2 mit der Sensorfläche des Sensors 3 verstanden werden. Die Geberelemente 1 und 2 sind dabei gegenüber dem Sensor 3 in z-Richtung versetzt. Im gezeigten Beispiel sind die Geberelemente 1 und 2 zueinander beweglich angeordnet. So können die Elemente 1 und 2 jeweils getrennt voneinander in der x Richtung versetzt werden. Ein gemeinsamer Versatz der Elemente ist ebenfalls möglich. Bewegen sich die zwei Geberelemente relativ zueinander, so öffnet sich der zwischen den Geberelementen befindliche Spalt 4. Unter einer Bewegung relativ zueinander ist eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung zu verstehen. Das Überdeckungsmaß der Fläche des Sensors 3 mit den Geberelementen 1 und 2 ändert sich. Da das Messsignal abhängig vom Überdeckungsmaß ist, ändert sich das Messsignal ebenso. Öffnet sich der Spalt 4 weiter, so nimmt das

Überdeckungsmaß ab, da die Fläche des Sensorelements nun weniger durch die Geberelemente 1,2 abgedeckt ist. Der Anteil der Fläche des Sensorelements 3, die durch den Spalt 4 abgedeckt ist nimmt gegenüber der durch die

Geberelemente 1,2 abgedeckten Fläche zu.

Das Signal des Sensorelements 3 ändert sich entsprechend. Bei einer vollständigen Überdeckung mit Metall - beispielsweise bei einem typischen Abstand von 0,5mm zwischen Platinenoberseite und Metalltarget - resultiert eine Reduzierung der Induktivität um 30%. In erster Näherung ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Überdeckung und Reduzierung der Induktivität.

Der Verlauf des Mess-Signals lässt sich durch eine Verkippung der

Geberelemente 1 und 2 zueinander einstellen. Eine solche Verkippung ist in Figur 4 gezeigt. Unter einer Verkippung zueinander kann eine Drehung um die z-Achse wenigstens eines Geberelements 1 ,2 verstanden werden. Bei einer Relativbewegung zweier zueinander verkippter Geberelemente 1 und 2 ändert sich das Überdeckungsmaß anders, als bei parallel - also unverkippt - angeordneten Geberlementen 1 und 2.

Durch eine Verkippung der Geberelemente 1 und 2 zueinander lässt sich nicht nur bei einer Relativbewegung der Geberelemente 1 und 2 zueinander der Verlauf des Messignals einstellen. Es ist zusätzlich möglich durch eine

Verkippung der Geberelemente 1 und 2 zueinander auch bei einer

Gleichtaktbewegung das Überdeckungsmaß der sensitiven Fläche des Sensors 3 zu verändern. So wird auch durch eine Gleichtaktbewegung der zueinander relativ beweglichen Geberelemente 1 und 2 eine Signaländerung induziert.

Zur Messung eines Signals für die Gleichtaktbewegung können zwei

Sensorspulen verwendet werden. Eine einzelne Sensorspule kann die beiden Bewegungen nicht voneinander trennen.

Der Messbereich bezüglich des Differenzwegs der beiden Geberelemente kann auch durch den Abstand der Geberlemente 1 und 2 zueinander eingestellt werden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist Figur 2 zu entnehmen. Die bereits bezüglich Figur 1 aufgebrachten Aspekte der Signalerzeugung gelten ebenfalls für die Ausführungsform der Figur 2.

In Figur 2 sind die Geberelemente 201 und 202 übereinander angeordnet. Unter einer Anordnung übereinander ist in Figur 2 zu verstehen, dass Geberelement 201 und Geberelement 202 in z-Richtung zueinander versetzt sind.

Geberelement 201, Geberlement 202 und das Sensorelement 203 sind somit auf unterschiedlichen Ebenen in z-Richtung angeordnet. Die Elemente 201 und 202 sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Die Geberelemente 201 und 202 können sich dabei überlappen.

Bewegen sich die Geberelemente 201 und 202 gemeinsam - nicht relativ zueinander - also im Gleichtakt, so hängt der Messbereich auch von der gesamten Breite des sensitiven Bereichs des Sensors 203 ab. Die Breite des sensitiven Sensorbereichs beeinflusst die Ermittlung des Überdeckungsmaßes.

Bewegen sich die Sensorelemente 201 und 2012 relativ zueinander auseinander, so kann es vorkommen, dass bei einer zu großen Bewegung der Sensor nur noch von einem Geberelement 201 oder 202 bedeckt wird. Dadurch würde auch eine Gleichtaktbewegung den Bedeckungsgrad der sensitiven Fläche des Sensorelements 203 modulieren. Dies kann in Fällen unerwünscht sein, in denen man lediglich eine relative Auslenkung der zwei Geberelemente 201 und 202 ermitteln will.

Es wird klar, dass die optimale Auslegung der Anordnung von Geberlementen 201 und 202, sowie des Sensors 203 von der angestrebten Anwendung abhängt und an diese angepasst werden kann. Insbesondere muss die Anordnung an die Gegebenheiten des Verbauungsorts und das angestrebte Signal, insbesondere an den Signalverlauf angepasst werden. Dabei sind unter anderem Form, Maße, Ausdehnung, Beabstandung der Bauteile zueinander, Auslegung des Sensors, Material der Geberelemente zu beachten.

Die Sensoranordnung, umfassend die Geberelemente 1, 2 bzw. 201, 202, sowie das Sensorelement 3, 203, kann beispielsweise zur Bestimmung einer

Relativauslenkung bei einem elektrischen Bremskraftverstärker benutzt werden. Figur 3a zeigt schematisch einen solchen Bremskraftverstärker 300.

Bei einem elektrischen Bremskraftverstärker 300 beaufschlagt ein Fahrer eine Eingangsstange 304 des Bremskraftverstärkers 300 mit einer Fahrerkraft, der elektrische Bremskraftverstärker 300 bringt eine Unterstützungskraft über den Verstärkerkorpus 305 auf. Fahrerkraft und Unterstützungskraft werden beide zum Druckaufbau in einem hydraulischen Bremszylinder verwendet, beispielsweise einem Hauptbremszylinder. Der Druckaufbau im Hauptbremszylinder kann beispielsweise über ein Ausgangselement 306 des Bremskraftverstärkers erfolgen, der sowohl Fahrerkraft als auch Unterstützungskraft auf den

Eingangskolben eines Hauptbremszylinders übertragen kann.

Zur Regelung eines elektrischen Bremskraftverstärkers kann als Eingangsgröße eine Relativauslenkung zwischen einer vom Fahrer betätigten Eingangsstange 304 und einem Verstärkerkorpus 305 des elektrischen Bremskraftverstärkers verwendet werden. Eine solche Relativauslenkung wird auch als Differenzweg bezeichnet.

Verstärkerkorpus 305 und Eingangsstange 304 weisen jeweils ein Geberelement 1, 2, auf. Die Geberelemente 1,2 sind mit Eingangselement 304 und

Verstärkerkorpus 305 dergestalt mechanisch verbunden, dass bei einer

Bewegung von Eingangselement 304 und Verstärkerkorpus 305 die jeweils zugeordneten Geberelemente 1, 2 ebenfalls bewegt werden. Bei einer

Bewegung der Eingangsstange 304 und des Verstärkerkorpus 305 relativ zueinander, geraten auch die Geberelemente 1, 2 in Versatz zueinander, was in oben beschriebener Weise zu einem Signal führt, welches das (nicht gezeigte) Sensorelement 3 auf Grund der Bewegung der Geberelemente 1, 2 erzeugt. Das Sensorelement 3 ist entsprechend wie bei Figur 1 gezeigt anzubringen.

Figur 3b zeigt beispielhaft einen Bremskraftverstärker 300 mit einer

Sensorvorrichtung gemäß der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform. Auch hier ist das Sensorelement 203 nicht eingezeichnet, und muss entsprechend Figur 2 angebracht werden. Selbstverständlich können auch andere Arten an aktiven, Steuer- und/oder regelbarer Bremskraftverstärker mittels der erfindungsgemäßen Sensoranordnung betrieben werden. Als Beispiel seien hier hydraulische oder pneumatische Bremskraftverstärker genannt.

Dem Fachmann ist geläufig, dass die Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativauslenkung nicht alleine bei Bremskrafverstärkern verwendet werden kann, sonder bei diversen anderen Anwendungen, bei denen ein relativer Versatz zweier Bauteile ermittelt werden soll, wobei dann die Geberelemente entsprechend den baullichen Erfordernissen an den beweglichen Bauteilen anzubringen ist.