Sensor zur Messung der Position eines Stellgliedes

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Positi¬ on eines über einen Antriebsanschluss elektromotorisch be¬ triebenen Stellgliedes einer Brennkraftmaschine, wobei im Gehäuse des Stellgliedes mindestens ein Positionssensor an¬ geordnet ist, der die Position an dem Antriebsanschluss er- fasst.

An Sensoren dieser Art werden extrem hohe Zuverlässigkeits¬ anforderungen gestellt, da Fehlfunktionen oder Ausfälle un¬ ter Umständen auch Risiken hervorrufen können. Dies be- trifft sowohl den Sensor selbst als auch dessen elektrische Verbindungen zu Schaltungen, welche den Sensor mit Be¬ triebsspannung versorgen und die Ausgangssignale des Sen¬ sors empfangen und auswerten.

Dabei können die dazu benutzten Kabelverbindungen und Kon¬ taktstellen Fehlerursachen darstellen, die selbst bei einer zweifachen Ausführung der Sensoren und der Verbindungsele¬ mente aus Redundanzgründen in sicherheitsrelevanten Syste¬ men zu gravierenden Fehlern führen können. Ferner wird durch die zunehmende Einführung von elektronischen Geräten in Kraftfahrzeugen die Anzahl der KabelVerbindungen ständig größer, wobei aus Kosten- und Gewichtsgründen eine Verle¬ gung von vielen Leitungen nachteilig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch hohe Zu¬ verlässigkeit und geringe Kosten auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Positionssensor mit einer Schaltung verbun¬ den ist, die eine Betriebsspannungsquelle enthält und Sig¬ nale von dem mindestens einen Positionssensor empfängt, dass die Verbindung zwischen der Schaltung und dem mindes¬ tens einen Positionssensor über eine Spannung und Signal führende Leitung erfolgt, dass in der Schaltung mindestens eine Strommesseinrichtung in Reihe zur Betriebsspannungs¬ quelle angeschlossen ist und dass über die Signale des min- destens einen Positionssensors in Abhängigkeit von der Po¬ sition des Stellgliedes eine Stromänderung über die Leitung übertragen wird.

Der erfindungsgemäße Sensor ist in vorteilhafter Weise ge- gen äußere Einflüsse geschützt. Er selbst und Leitungsver¬ bindungen bis zu einer Steckvorrichtung sind robuster und trotzdem preiswert herstellbar. Außerdem wird die Anzahl der erforderlichen Leitungen gegenüber bekannten Sensoren verringert.

Bei der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Stromänderung binär mit einem Strompegel und einem anderen Strompegel ist, wobei der eine Strompegel dem durch eine Spannungsstabilisierungsschaltung im mindestens einen Posi- tionssensor und durch die Betriebsspannungsquelle fließen¬ den Strom und ein anderer Strompegel dem durch eine als Funktion der Signale zuschaltbare Last im Positionssensor erhöhten Strom entspricht.

Außer der Einsparung von Leitungen weist diese Weiterbil¬ dung der Erfindung den Vorteil auf, dass die Übertragungs¬ sicherheit an den Kontakten dadurch erhöht wird, dass der Strom durch die Kontakte einen kritischen Mindestwert nicht unterschreitet. Dadurch kann in den meisten Fällen auf Ver¬ goldung der Kontakte verzichtet werden. Darüber hinaus füh¬ ren bei der Erfindung Übergangswiderstände an Leitungen und Kontakten nicht zu Signaländerungen, wie es bei analogen Signalübertragungen bekannt ist.

Die binären AusgangsSignale können in jeweils zweckmäßiger Weise codiert sein, beispielsweise pulsbreitenmoduliert, frequenzmoduliert, manchestercodiert oder andere serielle Übertragungsverfahren. Die Λusgangssignale können nicht nur die Ausgangsgrößen des Positionssensors umfassen, sondern auch noch andere Daten, wie Diagnose und/oder Temperatur. Die Positionssensoren selbst können Hallsensoren sein oder auf magnetoresistiver oder induktiver Basis arbeiten.

Gegenüber Schnittstellen mit Analogsignalen hat die nach der Weiterbildung vorgesehene Schnittstelle den Vorteil ei¬ ner höheren Sicherheit gegen Störsignale. Außerdem ergeben sich Einsparungen im Bereich der Analog/Digital-Umsetzung. Ferner ist ein Verpolungsschutz und ein Überspannungsschutz einfacher realisierbar, da kein ratiometrisches Analogsig¬ nal verwendet wird.

Die Weiterbildung kann auch derart ausgestaltet sein, dass bei mehreren Positionssensoren die Abhängigkeit der Signale von der Position des Stellgliedes von Positionssensor zu Positionssensor verschieden ist. Diese Maßnahme dient der Sicherheit für den Fall, dass die Leitungen beider Positi¬ onssensoren kurzgeschlossen werden und dies nicht in der Schaltung erkannt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass zwei Positionssensoren über je zwei Leitungen mit der Schaltung verbunden sind und dass je Positionssen¬ sor eine Strommesseinrichtung vorgesehen ist. Demgegenüber kann die erfindungsgemäße Einrichtung bei verminderter Re¬ dundanz, jedoch auch bei geringerem Materialaufwand derart ausgebildet sein, dass zwei Positionssensoren über je eine Leitung und eine gemeinsame Leitung mit der Schaltung ver¬ bunden sind und dass je Positionssensor eine Strommessein¬ richtung vorgesehen ist .

Bei diesen Weiterbildungen ist im Wesentlichen vorgesehen, dass zwei Sensoren verwendet werden, wobei sich im Falle von vier Leitungen — gegenüber sechs Leitungen bei konven¬ tioneller Technik - eine sehr hohe Systemverfügbarkeit ge¬ geben ist, da bei jedem theoretischen Fehlerfall das System auf einem Kanal (Sensor + Leitungen) weiter betrieben wer¬ den kann.

Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung vorzugs¬ weise vorgesehen, dass den Positionssensoren ein gemeinsa- mes bewegliches Element zur Positionserfassung zugeordnet ist.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemä¬ ßen Einrichtung besteht darin, dass die Strommesseinrich- tung von einem Strommesswiderstand und einer Schwellwert¬ schaltung gebildet ist.

Besonders zuverlässige und mechanisch stabile Ausführungen ergeben sich dadurch, dass die Positionssensoren jeweils als eine integrierte Schaltung mit zwei Anschlussstiften aufgebaut sind, die mit einem Metallgitter (lead frame) verschweißt sind, das in einem aus Kunststoff bestehenden Deckel des Gehäuses eingebettet ist. Zwei Anschlussstifte lassen sich zuverlässiger in automatischen Prozessen schweißen als drei oder mehr Anschlussstifte.

Die elektromagnetische Verträglichkeit kann bei der erfin- dungsgemäßen Einrichtung dadurch verbessert werden, dass die für die Leitungen vorgesehenen Anschlüsse des mindes¬ tens einen Positionssensors miteinander, vorzugsweise in der Nähe des Positionssensors, mit einem Kondensator ver¬ bunden sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Kondensator zusammen mit dem Positionssensor mit Kunststoff umspritzt ist.

Ein weiterer Vorteil der Zweidrahtverbindung liegt in der Einsparung eines zusätzlichen Kondensators, welcher bei a- nalogen Sensoren für die Zuführung der Versorgungsspannung vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgen- den Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbei¬ spiels,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 und Fig. 4 Zeitdiagramme der in den Leitungen flie¬ ßenden Ströme,

Fig. 5 ein detaillierteres Schaltbild eines Positionssen¬ sors, Fig. 6 den Deckel eines elektromotorisch betriebenen Stell¬ gliedes und

Fig. 7 ein in dem Deckel eingebettetes Stanzgitter.

Bei den Ausführungsbeispielen werden zwei Positionssensoren 1, 2 verwendet, um die Position eines beweglichen Gegens¬ tandes 3 zu messen - beispielsweise eines Magneten. Zwei Positionssensoren werden zur Erhöhung der Sicherheit bei der Positionsmessung von sicherheitsrelevanten Vorrichtun¬ gen, beispielsweise der Drosselklappe eines Kraftfahrzeug¬ motors, verwendet. Die Positionssensoren sind als Baustein mit einer KunstStoffUmhüllung 4 umspritzt. Sie verfügen je¬ weils über einen Anschluss 5, 6 und einen gemeinsamen An- Schluss 7. Zur Verbindung mit entsprechenden Anschlüssen 8, 9, 10 einer Schaltung 11, die im folgenden auch Auswerte¬ schaltung genannt wird, dienen Leitungen 18, 19, 20. Die Auswerteschaltung enthält eine Betriebsspannungsquelle 12, die jeweils über einen Strommesswiderstand 13, 14 mit den Anschlüssen 8, 9 und damit mit den Leitungen 18, 19 verbun¬ den ist. Der Spannungsabfall von den Messwiderständen 13, 14 wird Verstärkern 15, 16 mit Schwellwertcharakteristik und Hysterese zugeführt, an deren Ausgängen 21, 22 Signale zur weiteren Verwendung zur Verfügung stehen.

Die Anschlüsse der Positionssensoren 1, 2 sind mit jeweils einem Kondensator 23, 24 überbrückt, um hochfrequente Ein¬ strahlungen zu filtern. Die Kondensatoren 23, 24 sind der¬ art bemessen, dass die von den Positionssensoren 1, 2 er— zeugten Ausgangssignale nicht beeinträchtigt werden.

Die Einrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjeni¬ gen nach Fig. 1 dadurch, dass anstelle einer gemeinsamen Leitung 20 (Fig. 1) jeweils eine Leitung 25, 26 je Positi¬ onssensor verwendet wird, die über Anschlüsse 7, 10 bzw. 71, 10' mit den Positionssensoren 1, 2 bzw. der Schaltung 11 verbunden ist. Dadurch ist zwar der Aufwand größer, im Falle einer Störung einer beliebigen Leitung ist jedoch der jeweils andere Positionssensor noch voll funktionsfähig.

Die Figuren 3 und 4 zeigen den Verlauf der Ströme Il und 12, die jeweils aus einem konstanten Anteil IB, der zum Be- trieb des Positionssensors benötigt wird, und einem pulsie¬ renden Anteil IS bestehen, welcher der Amplitude des Aus¬ gangssignals entspricht.

Fig. 5 zeigt den Positionssensor 1 in etwas detaillierterer Darstellung. Von dem Anschluss 5 gelangt der Strom IB zur Spannungsstabilisierungsschaltung 31, welche den eigentli¬ chen Sensor 32 und eine Signalaufbereitungsschaltung 33 versorgt. Diese erzeugt ein zur Ansteuerung einer Stromsen¬ ke 34 geeignetes Signal, das pulsierend den Strom IS dem Betriebsstrom IB zuschaltet.

Fig. 6 zeigt den Deckel 35 eines nicht dargestellten Dros¬ selklappengehäuses. Mit einem Flansch 36 wird der Deckel 35 mit dem Gehäuse verschraubt. An den Deckel 35 ist eine Mehrfachsteckvorrichtung 37 angeformt. Außerdem befinden sich zwei Steckverbinder 38, 39 an dem Deckel 35, welche im geschlossenen Zustand des Gehäuses eine Verbindung zwischen dem Stellmotor und der Steckvorrichtung 37 über Entstörmit¬ tel 40, 41 bilden. Diese sind in den aus Kunststoff beste- henden Deckel 35 eingebettet, ebenso wie als Stanzgitter ausgeführte Leitungen zwischen der Steckvorrichtung 37 und den Entstörmitteln 40, 41. Fluchtend mit dem nicht dargestellten Antriebsanschluss der Drosselklappe ist im Deckel 35 ein Sensorkopf 42 angeord¬ net, der zwei Positionssensoren enthält und ebenfalls mit Leitungen 18, 19, 25, 26, die von einem Stanzgitter 43 (Fig. 7) gebildet sind, mit der Steckvorrichtung 37 verbun¬ den ist. Das Stanzgitter 43 bildet gleichzeitig Kontakt¬ stifte 44 der Steckvorrichtung 37. Die Kondensatoren 23, 24 sind in Fig. 6 nicht mit Kunststoff umspritzt dargestellt. Bei Vorliegen entsprechender Voraussetzungen ist es jedoch auch möglich, diese zu umspritzen.