WO2016087152A1

WO2016087152A1 - Induktive positionsbestimmung

Info

Publication number: WO2016087152A1
Application number: PCT/EP2015/075569
Authority: WO
Inventors: Thomas Erdmann; Peter WIST
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: DE102014224858A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur induktiven Positionsbestimmung umfasst eine Anordnung mit mehreren Spulen, ein bewegliches Element zur Beeinflussung der Induktivität wenigstens einer der Spulen in Abhängigkeit seines Abstands zu der Spule, einen Signalgenerator, der mit ersten Enden der Spulen verbunden ist, eine Schalteinrichtung für jede der Spulen, jeweils zur Verbindung eines zweiten Endes der Spule mit einem vorbestimmten Potential, eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen, um eine der Spulen mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden, und eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Position des Elements bezüglich der Spule auf der Basis einer Spannung an der Spule. Dabei ist eine Beweglichkeit des Elements bezüglich der Spulen beschränkt und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, nur solche Spulen mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden, die im Beweglichkeitsbereich des Elements liegen.

Description

Induktive Positionsbestimmung

Die Erfindung betrifft eine induktive Positionsbestimmung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung einer relativen Position an Bord eines Kraftfahrzeugs.

In einem Kraftfahrzeug sind an unterschiedlichen Einrichtungen Positionssensoren verbaut, die die Position eines ersten Elements bezüglich eines zweiten Elements abtasten, um beispielsweise die Stellung eines versenkbaren Fensters, eine Stellung eines Sitzes oder eine Schaltstellung eines Ganghebels abzutasten. Ein Positionssensor zur Erfassung einer solchen Position kann induktiv aufgebaut sein, wobei an einem der Elemente eine Spule und am anderen ein leitfähiges Element angebracht ist. Die Spule kann mit einer Sinusspannung einer vorbestimmten Frequenz beaufschlagt werden, wobei sich an der Spule eine komplexe Spannung einstellt, die von der Induktivität der Spule abhängig ist. Je näher sich das leitfähige Element an der Spule befindet, desto stärker sind Wirbelströme, die im leitfähigen Element induziert werden und die das Magnetfeld im Bereich der Spule schwächen. Die Induktivität der Spule wird dadurch negativ beeinflusst, sodass die Spannung an der Spule abfällt. So kann die Position der Elemente zueinander anhand der sich an der Spule einstellenden Spannung bestimmt werden.

Ein solcher Positionssensor ist üblicherweise aufwändig aufgebaut und kann empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen oder Alterung sein. Außerdem kann eine Abtastzeit zur Bestimmung, ob sich das erste Element im Bereich des zweiten Elements befindet oder nicht, relativ lang sein, sodass zur Abtastung vieler solcher Elemente eine leistungsfähige Verarbeitungseinrichtung erforderlich ist.

Kann das erste Element bezüglich des zweiten nur eine begrenzte Anzahl abzutastender Positionen einnehmen, kann die Position des ersten bezüglich des zweiten Elements kann mittels mehrerer Spulen bestimmt werden, sodass in jeder Position eine andere der Spulen durch das Element beeinflusst wird. Dadurch ist eine Anordnung von Spulen jedoch nur für einen Einsatzzweck verwendbar. Ändert sich eine der Positionen, muss auch die korrespondierende Spule versetzt werden. Die geän- derte Spulenanordnung muss dann üblicherweise aufwändig getestet und validiert werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur induktiven Positionsbestimmung anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl von Spulen vorzusehen, bei der Bestimmung der Position des Elements jedoch nur solche zu berücksichtigen, die im Bewegungsbereich des Elements liegen. Ändert sich der Bewegungsbereich, beispielsweise durch Einsatz der Vorrichtung an anderen Elementen, deren relative Position bestimmt werden soll, so kann die Vorrichtung einfach an die geänderten Vorgaben angepasst werden. Die Auswerteeinrichtung kann neu parametrisiert oder programmiert werden, um die Änderung ohne physischen Anpassungsaufwand durchzuführen. Insbesondere kann es entbehrlich sein, eine der Spulen anders anzuordnen eine elektrische Verbindung einer Spule zu verändern.

Bevorzugterweise ist die Beweglichkeit des Elements auf eine vorbestimmte Trajek- torie bezüglich der Anordnung von Spulen beschränkt, wobei ein maximaler Abstand zwischen einer Spule und dem Element vorgegeben ist, in dem die Beeinflussung der Induktivität der Spule durch das Element anhand der sich an der Spule einstellenden Spannung auswertbar ist. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, nur solche Spulen mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden, deren Abstände von der Trajektorie kleiner als der maximale Abstand sind.

So können Spulen, die zu keinem Erkenntnisgewinn über die Position des Elements führen können, unbeachtet bleiben. In einer Ausführungsform können eine solche Spule und/oder eine ihr zugeordnete Schalteinrichtung auch entfallen, sodass die Vorrichtung vereinfacht aufgebaut sein kann.

Die Schalteinrichtungen können elektrisch in einer Matrix von Zeilen und Spalten angeordnet sein, sodass jede Schalteinrichtung durch Ansteuerung einer vorbestimmten Kombination von Dimensionen der Matrix eingeschaltet werden kann. Dadurch kann die Aktivierung genau eine der Schalteinrichtungen vereinfacht sein. Insbesondere kann mittels üblicher Elemente wie eines 1 -aus-N-Dekoders eine binäre AnSteuerung der Schalteinrichtungen vereinfacht sein. Dadurch können insbesondere Verbindungen der Steuereinrichtung eingespart werden, sodass eine einfachere und ggf. kostengünstigere Steuereinrichtung verwendet werden kann.

Das Element kann in seinen Abmessungen bezüglich der Anordnung von Spulen so gestaltet sein, dass es mehrere Spulen gleichzeitig beeinflussen kann. Durch die einfache und kostengünstige Vorrichtung kann eine Vielzahl von Spulen unterstützt werden, sodass die Position des Elements mit einer vorbestimmten Redundanz bestimmt werden kann, die durch die Anzahl gleichzeitig beeinflusster Spulen gegeben ist. Fällt eine der Spulen aus, beispielsweise durch einen mechanischen oder elektrischen Defekt oder eine externe temporäre Störung, so kann die Position des Elements noch über die Beeinflussung wenigstens einer weiteren Spule bestimmt werden. Damit können beispielsweise ASIL-Vorgaben (ISO 26262) eingehalten werden. Eine Freigabe der Vorrichtung beispielsweise für ASIL-C kann auf einfache und kostengünstige Weise möglich sein. Der Signalgenerator kann ein Rechtecksignal bereitstellen. Das Rechtecksignal kann eine Anzahl Oberwellen zu einer Grundfrequenz umfassen, wobei die Oberwellen jeweils die Spannung an der Spule in gleicher weise beeinflussen können, sodass das Spannungssignal an der Spule mit verbesserter Genauigkeit auf die Position des Elements hinweisen kann. Die Spannung kann eine verkürzte Anstieg- oder Abfallzeit haben, sodass die Position des Elements schneller bestimmt werden kann.

Die Spannung an der Spule umfasst bevorzugterweise eine Wechselspannung mit der Frequenz des Rechtecksignals und wenigstens eine weitere Wechselspannung (Oberwelle) mit einer ungeradzahlig vielfachen Frequenz des Rechtecksignals. Die weitere Wechselspannung hat üblicherweise eine geringere Amplitude als die erste Wechselspannung. Allgemein kann das Rechtecksignal aus unendlich vielen Sinusbzw. Kosinusfunktionen mit Frequenzen, die Vielfache der Grundfrequenz sind, zusammengesetzt sein. Diese Synthetisierung ist auch als Fourierreihe bekannt. Die einzelnen Signale, aus denen die Rechteckspannung zusammengesetzt ist, können zu einer vergrößerten Spannung beitragen, die als Messsignal an der Spule abgetastet werden kann. Die Position des Elements kann so mit größerer Empfindlichkeit oder größerer Geschwindigkeit bestimmt werden. Erfolgt eine Auswertung der Spannung mittels eines programmierbaren Mikrocomputers, so kann dieser wegen der verkürzten Messzeit eine geringere Leistungsfähigkeit aufweisen.

Die Spule kann eine Planarspule sein. Die Planarspule kann beispielsweise als gedruckte Schaltung auf der Oberfläche einer Platine oder eines anderen geeigneten Trägermaterials ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist die Planarspule mehrlagig, insbesondere zweilagig ausgeführt. Die Planarspule hat üblicherweise nur wenige Windungen, beispielsweise im Bereich von ca. 9 bis 30 Windungen. Dementsprechend ist die Grundinduktivität der Spule relativ gering. Durch die geringe Induktivität kann die Spule verbessert Spannungskomponenten höherer Frequenzen beeinflussen, sodass mehr Oberwellen der Grundschwingung ausgewertet werden können. Außerdem kann die Planarspule insbesondere im Bereich des Kraftfahrzeugs aufgrund ihrer geringen Dicke leicht handhabbar sein. Eine an der Spule anliegende Wechselspannung kann mittels eines Tiefpassfilters in eine Gleichspannung integriert werden. Das kann insbesondere für die verschiedenen Wechselspannungen gelten, aus denen das Rechtecksignal zusammengesetzt ist. So können die Einzelspannungen einfach und effizient zu einer Gesamtspannung zusammengeführt werden, deren Größe verbessert auf die Position des Elements hinweisen kann.

Die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikrocomputer umfasst und der Mikrocomputer einen digitalen Ausgang umfasst, der zur Bereitstellung des Rechtecksignals eingerichtet ist. So kann eine einfache und hochintegrierte Baugruppe bereitgestellt werden, die separat handhabbar sein kann und zur einfachen und zuverlässigen Positionsbestimmung des Elements eingerichtet ist.

In einer Ausführungsform umfasst das Element ein elektrisch leitfähiges Dämpfungselement. Die Induktivität der Spule wird bei Annäherung des Dämpfungselements verringert, da sich durch das magnetische Wechselfeld im Dämpfungselement Wirbelströme bilden, die die Energie des magnetischen Wechselfelds verringern.

In einer anderen Ausführungsform umfasst das Element ein ferromagnetisches und elektrisch isolierendes Verstärkungselement. Das Verstärkungselement kann, wenn es nahe an die Spule herangebracht wird, die magnetische Feldstärke im Bereich der Spule verstärken und so die Induktivität der Spule vergrößern.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur induktiven Positionsbestimmung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erweiterten Vorrichtung nach dem

Muster von Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Anordnung mehrerer Spulen für die Vorrichtung der Figuren 1 oder 2;

und

Fig. 4 eine Spule an der Anordnung von Fig. 3 darstellt.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur induktiven Bestimmung der Position eines Elements 105. Die Vorrichtung kann insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, um eine Position oder Stellung eines beweglichen Elements zu bestimmen. Beispielsweise kann die Position eines Wählhebels für eine Gangstufe eines Getriebes bezüglich einer Konsole abgetastet werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Einschlagwinkel zwischen dem Kraftfahrzeug und einem mittels einer Anhängerkupplung angekoppelten Anhängers bestimmt werden. Das magnetische Element 105 ist allgemein ein Element, das ein magnetisches Wechselfeld, dem es ausgesetzt ist, beeinflusst. Dabei kann das Element 105 insbesondere elektrisch leitfähig sein, um das magnetische Wechselfeld im Bereich der Spule 1 15 zu schwächen, oder ferromagnetisch und elektrisch isolierend, um das magnetische Wechselfeld im Bereich der Spule 1 15 zu verstärken. Im ersten Fall kann das Element 105 beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen, im zweiten Fall beispielsweise Eisen, Nickel oder Cobalt. Die Vorrichtung 100 umfasst zusätzlich zum Element 105 einen Signalgenerator 1 10 zur Bereitstellung eines Rechtecksignals, eine Spule 1 15 und eine Auswerteeinrichtung 120.

Der Signalgenerator 1 10 stellt an seinen Ausgang eine Rechteckspannung bezüglich eines festen Potentials bereit, in der Darstellung von Figur 1 bezüglich Masse. Die Spule 1 15 ist mit einem ersten Ende mit dem Ausgang des Signalgenerators 1 10 und mit dem anderen Ende mit einem weiteren festen Potential verbunden, das dem anderen festen Potential entsprechen kann. Die Auswerteeinrichtung 120 ist mit der Spule 1 15 verbunden und dazu eingerichtet, eine Spannung abzutasten, die sich an der Spule 1 15 in Abhängigkeit des Rechtecksignals des Signalgenerators 1 10 ergibt. Dazu ist bevorzugterweise ein Integrator oder Tiefpassfilter 125 zwischen der Spule 1 15 und der Auswerteeinrichtung 120 vorgesehen. Optional kann eine Diode 130 in Durchlassrichtung von der Spule 1 15 zum Tiefpassfilter 125 führen. Der Tiefpassfilter 125 integriert hochfrequente Signale an der Spule 1 15 über einen vorbestimmten Zeitraum auf und stellt der Auswerteeinrichtung 120 eine entsprechende Spannung zur Verfügung. Die Position des Elements 105 bezüglich der Spule 1 15 beeinflusst deren Induktivität. In Abhängigkeit des Materials des Elements 105 kann die Induktivität der Spule 1 15 bei Annäherung des Elements 105 an die Spule 1 15 vergrößert oder verkleinert werden. Die Spule 1 15 ist bevorzugterweise als Flachspule ausgeführt, wobei sie eine begrenzte Ausdehnung hat, um handhabbar zu bleiben. Die Induktivität der Spule 1 15 ist daher relativ gering. Die Ausdehnung des Elements 105 liegt üblicherweise im Bereich der Ausdehnung der Flachspule 1 15.

Das Rechtecksignal des Signalgenerators 1 10 kann angesehen werden als Überlagerung von Sinus- bzw. Kosinussignalen unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden. Ein erstes Sinussignal hat als Grundfrequenz die Frequenz des Rechtecksignals. Weitere sinusförmige Signale haben Frequenzen, die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen. Je höher die Frequenz ist, desto geringer ist üblicherweise die Amplitude der Frequenz.

Ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz wirken zueinander verstärkend, sodass die Spule 1 15 - insbesondere wenn ihre Induktivität klein ist - auf mehrere der Sinussignale reagieren kann, sodass die an ihr abfallende Spannung gleich mehrfach von der Position des Elements 105 beeinflusst sein kann. Ein Spannungsunterschied an der Spule 1 15 bei anwesendem und abwesendem Element 105 kann daher ma- ximiert sein. Das Messsignal kann einen verbesserten Signal-Rausch-Abstand aufweisen und ein Verstärker für das Messsignal kann eingespart werden.

Die Auswerteeinrichtung 120 kann insbesondere einen Digital-Analog-Wandler umfassen. Dieser kann einen numerischen Wert beispielsweise an einem programmierbaren Mikrocomputer bereitstellen. Eine andere Signalverarbeitung der Messspannung ist jedoch auch möglich.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erweiterten Vorrichtung 100 nach dem Muster von Figur 1 . Hier sind mehrere Spulen 1 15 vorgesehen, deren jeweils eines Ende mit dem Signalgenerator 1 10 verbunden ist. Das jeweils andere Ende ist mittels einer Schalteinrichtung 205 mit dem vorbestimmten, konstanten Potential verbindbar. Die Schalteinrichtungen 205 können insbesondere durch Transistoren ge- bildet sein. Nachdem die Schalteinrichtungen 205 ungeachtet der Frequenz des Rechtecksignals des Signalgenerators 1 10 keine hohen Frequenzen übertragen müssen, können hierfür beispielsweise kostengünstige Niederfrequenztransistoren verwendet werden.

Die Schalteinrichtungen 205 werden durch eine Steuereinrichtung 210 gesteuert, die insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer umfassen kann. Die Steuereinrichtung 210 ist dazu eingerichtet, zu jedem Zeitpunkt nur eine der Schalteinrichtungen 205 zu schließen, um eine Messung der Position des Elements 105 - oder mehrerer Elemente 105 - bezüglich der jeweils zugeordneten Spule 1 15 durchzuführen. Die Steuereinrichtung 210 kann auch eine weitere Verarbeitung der mittels der Auswerteeinrichtung 120 bestimmten Spannung durchführen. Insbesondere dann, wenn die Steuereinrichtung 210 als programmierbarer Mikrocomputer ausgeführt ist, kann die Auswertung numerische oder statistische Operationen umfassen.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 210 auch zur Bereitstellung des Rechtecksignals ausgebildet und arbeitet somit auch als Signalgenerator 1 10. Beispielsweise kann eine serielle oder parallele Schnittstelle der Steuereinrichtung 210 dazu genutzt werden, das Rechtecksignal mit relativ hoher Amplitude, beispielsweise zwischen 0 und 3,3 Volt oder zwischen 0 und 5 Volt bereitzustellen. Für andere Spannungen können entsprechend Begrenzer oder Verstärker eingesetzt werden.

Durch das oben beschriebene Rechtecksignal können kurze Einschwingzeiten der Spulen 1 15 bewirkt werden. Das heißt, dass eine an der Spule 1 15 abgreifbare Spannung schneller als bei einem Sinussignal auf die Anwesenheit oder Abwesenheit des Elements 105 hinweisen kann. Ein Messvorgang mit einer einzelnen Spule 1 15 kann dadurch relativ schnell durchgeführt werden, beispielsweise während einer Messphase von ca. 10 bis 20 Mikrosekunden. Zwischen einzelnen Messphasen mit unterschiedlichen Spulen 1 15 kann jeweils eine Messpause eingelegt werden, die eine ähnliche Dauer haben kann. Durch die kurzen Messzeiten können viele Spulen 1 15 nacheinander durch die Steuereinrichtung 210 abgefragt werden, sodass auch mit geringer Verarbeitungskapazität der Steuereinrichtung 210 eine sichere und zügige Positionsbestimmung möglich sein kann. Die Steuereinrichtung 210 kann in einer üblichen Anwendung mit bis zu ca. 20 Spulen 1 15 einen handelsüblichen 8 Bit- Mikrocomputer umfassen. Ein 32 Bit-Mikrocomputer, wie er für Sinussignal-basierte Messverfahren erforderlich ist, kann eingespart werden.

Das Element 105 kann in seinen Abmessungen bezüglich der Anordnung von Spulen 1 15 so gestaltet sein, dass es mehrere Spulen 1 15 gleichzeitig beeinflussen kann. Da die Induktivität jeder Spule 1 15 in Abhängigkeit des jeweiligen Abstands des Elements 105 mehr oder weniger stark beeinflusst wird, kann die genaue Position des Elements 105 dann anhand von Verhältnissen der durch die beeinflussten Spulen 1 15 an den Tiefpassfiltern 125 bereitgestellten Spannungen abgeschätzt werden.

Figur 3 zeigt eine beispielhafte Anordnung 305 von Spulen 1 15 für die Vorrichtung 100 aus Figur 1 . Die Spulen 1 15 können insbesondere als Planarspulen ausgebildet und auf einer Oberfläche eines Bauelements angebracht sein, etwa durch Kleben oder Laminieren. Dabei können die Spulen 1 15 insbesondere als Printspulen auf einem Trägermaterial, etwa einer Platine, ausgebildet sein. Die dargestellte Matrixform der Spulen 1 15 ist nicht verpflichtend, vielmehr können die Spulen 1 15 in beliebiger Weise angeordnet werden. Es ist zur einfacheren Verarbeitung jedoch bevorzugt, dass die Spulen 1 15 mit möglichst gleichen Abständen nebeneinander liegen, gleiche Abmessungen und, in Abwesenheit des Elements 105, gleiche Grundinduktivitäten haben.

Eine Trajektorie 310 repräsentiert exemplarisch mögliche Positionen des Elements 105, wenn dieses nicht frei gegenüber der Anordnung 305 bewegt werden kann. Bevorzugterweise verläuft die Trajektorie 310 in einer vorbestimmten Höhe über den Spulen 1 15, wobei Längsachsen der Spulen 1 15 die Trajektorie 310 möglichst schneiden. So können die Spulen 1 15 durch das Element 105 verbessert gleichmäßig beeinflusst werden. Die dargestellte Trajektorie 310 kann beispielsweise für eine H-förmige Schaltkulisse eines Wählhebels für ein Getriebe Anwendung finden. In einer Ausführungsform sind auf der Trajektorie 310 nur vorbestimmte Positionen 315 von Interesse, beispielsweise wenn Transitionen des Elements 105 zwischen den Positionen 315 nicht abgetastet werden sollen. In diesem Fall kann es von Vorteil sein, jeder Position 315 eine Spule 1 15 zuzuordnen, deren Induktivität möglichst stark beeinflusst wird, wenn sich das Element 105 in der Position 315 befindet. In einer anderen Ausführungsform können auch Positionen 315 des Elements bestimmt werden sollen, die zwischen Spulen 1 15 liegen. Dazu kann das Element 105 so geformt sein, dass es zu einem Zeitpunkt - in Abhängigkeit seiner Position - mehrere Spulen 1 15 beeinflusst. Die Spannungen an den Spulen 1 15 können möglichst rasch nacheinander bestimmt werden. Auf der Basis von Verhältnissen der Spannungen kann dann die genaue Position des Elements 105 bezüglich der Spulen 1 15 bestimmt werden. Auch Spulen 1 15, an denen die Trajektorie 310 nur vorbeiführt, können durch das Element 105 beeinflusst werden, sodass die an ihnen anliegenden Spannungen zur Positionsbestimmung des Elements 105 herangezogen werden können.

Verschiebt sich eine der Positionen 315 oder die ganze Trajektorie 310 gegenüber der Anordnung 305, beispielsweise durch einen Montagefehler, eine Beschädigung oder eine geänderte Konstruktion eines Elements, dessen Position mittels der Vorrichtung 100 abgetastet werden soll, so kann die Positionsbestimmung ohne physische Änderungen an der Vorrichtung 100 oder der Anordnung 305 weiter durchgeführt werden, indem lediglich die Auswertung der an den Spulen 1 15 anliegenden Spannungen geändert wird. Diese Vorgehensweise kann insbesondere von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung 100 bzw. die Anordnung 305 an unterschiedlichen Elementen verbaut werden soll oder wenn an dem zu positionierenden Element konstruktive Änderungen vorgenommen werden. Die geänderte Auswertung kann durch geänderte Vorgaben von zu erreichenden Spannungen oder Spannungsverhältnissen, die zur Erfassung des Elements 1 15 an einer Position 315 führen, bewirkt werden. Diese Änderung kann durch ein verändertes Programm oder durch veränderte Parameter der als programmierbarer Mikrocomputer ausgeführter Steuereinrichtung 1 10 realisiert werden. Üblicherweise ist ein maximaler Abstand 320 vorgegeben, der zwischen dem Element 105 und einer Spule 1 15 liegen kann, um die Beeinflussung der Induktivität der Spule 1 15 durch das Element 105 gerade noch auf der Basis der an der Spule 1 15 anliegenden Spannung auswerten zu können. Dieser Abstand kann beispielsweise auf der Basis einer Grundinduktivität der Spule 1 15, einer Ausdehnung oder Materialeigenschaften des Elements 105, der Signalform oder der Spannung des Signalgenerators 1 10 oder auch eines Messbereichs der Auswerteeinrichtung 120 bestimmt sein. Auch ein im Bereich der Spule 1 15 liegendes externes Magnetfeld kann den Abstand 320 beeinflussen.

In der exemplarischen Darstellung von Figur 3 sind mehr Spulen 1 15 vorgesehen als durch das Element 105 auf der Trajektorie 310 beeinflusst werden können. Mindestens die ganz oben rechts dargestellte Spule 1 15 ist unabhängig von der Position des Elements 105 auf der Trajektorie 310 immer weiter als der maximale Abstand 320 vom Element 105 entfernt. Bevorzugterweise werden solche Spulen 1 15 nicht mittels einer Schalteinrichtung 205 mit dem vorbestimmten Potential verbunden und ihre Spannungen gehen nicht in die Positionsbestimmung des Elements 105 ein. Dadurch kann eine Bestimmungszeit, die zur Bestimmung von Spannungen an allen Spulen 105 erforderlich ist, verringert sein. Welche Spulen 1 15 in die Positionsbestimmung einbezogen werden und welche nicht, kann fest verdrahtet vorgegeben sein, beispielsweise indem eine Schalteinrichtung 205, die einer nicht benutzten Spule 1 15 zugeordnet ist, gar nicht an der Vorrichtung 100 bestückt wird. Die entsprechende Spule 1 15 kann dann auch weggelassen werden. In einer Ausführungsform, bei der die Spulen 1 15 als gedruckte Schaltungen ausgebildet sind, können die Spulen 1 15 praktisch ohne Mehrkosten auch beibehalten werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 1 10 bestimmte Schalteinrichtungen 205 nicht aktivieren, sodass die zugeordneten Spulen 1 15 nicht abgetastet werden.

Figur 4 zeigt eine Spule 1 15 an der Anordnung 305 von Figur 3. Die Anordnung 1 15 umfasst mehrere Spulen 1 15, die jeweils ein erstes Ende 405 und ein zweites Ende 410 aufweisen. Das erste Ende 405 mehrerer Spulen 1 15 ist mit dem Signalgenerator 1 10 verbunden und das zweite Ende mit einer der Spule 1 15 zugeordneten Schalteinrichtung 205. Es ist bevorzugt, dass die Spulen 1 15 logisch bzw. elektrisch in einer Matrix organisiert sind. Dazu sind mehrere Zeilenleitungen 415 und mehrere Spaltenleitungen 420 vorgesehen. Jede Schalteinrichtung 205 befindet sich an einer spezifischen Kreuzung einer Zeilenleitung 415 mit einer Spaltenleitung 420. Dabei ist eine Schalteinrichtung 205 dazu eingerichtet, genau dann das mit ihm verbundene zweite Ende 410 der Spule 1 15 mit einem vorbestimmten Potential zu verbinden, wenn sowohl die ihm zugeordnete Zeilenleitung 415 als auch die ihm zugeordnete Spaltenleitung 420 aktiv sind. Durch Aktivieren genau einer Zeilenleitung 415 und genau einer Spaltenleitung 420 kann also die Schalteinrichtung 205 jeder Spule 1 15 individuell adressiert und exklusiv geschlossen werden.

In der Darstellung von Figur 4 wird exemplarisch von einer positiven Logik ausgegangen, bei der eine hohe Spannung an einer der Leitungen 415, 420 einer Aktivierung entspricht und eine niedrige Spannung einer ausbleibenden Aktivierung. Die Schalteinrichtungen 205 sind exemplarisch als NPN-Transistoren ausgebildet, die als Schalter wirken. Andere Ausführungsformen, insbesondere in Verbindung mit einer negativen Logik oder anderen steuerbaren Schaltern als Transistoren, sind ebenfalls möglich. Beide Transistoren können auch als Doppeltransistor in einem Gehäuse vorliegen. Bevorzugterweise werden die Schalteinrichtungen 205 jeweils im Bereich der zugeordneten, als gedruckte Schaltung ausgebildeten Spule 1 15 auf dem gleichen Trägermaterial wie die Spule 1 15 angebracht, beispielsweise mittels üblicher Bestückungstechnik.

In einer anderen Ausführungsform kann die Matrix auch mehr als zwei Dimensionen haben. In diesem Fall sind pro Dimension mehrere Ansteuerleitungen so zu verlegen, dass jede Schalteinrichtung 205 mit einer der Ansteuerleitungen verbunden werden kann. Die Schalteinrichtungen 205 erfordern so viele Steuereingänge wie Ansteuerleitungen (bzw. Dimensionen) vorgesehen sind und schalten genau dann die verbundene Spule 1 15 auf das vorbestimmte Potential, wenn alle zu ihnen führenden Steuerleitungen aktiviert sind.

Die Steuerleitungen einer Dimension können beispielsweise mittels eines 1 -aus-N- Dekoders aktiviert werden, der mit der Steuereinrichtung 1 10 verbunden ist. Der De- koder kann binär angesteuert werden, um genau eine von N Steuerleitungen zu aktivieren. So können Verbindungsleitungen zur Steuereinrichtung 110 eingespart werden. Beispielsweise können bei 2 Dimensionen und 3 binären Steuerleitungen pro

Dimension (2³)² =8-8 = 64 Schalteinrichtungen 205 einzeln decodiert werden. Bei 3 Dimensionen und 4 binären Steuerleitungen pro Dimension sind es

(2⁴)³ =16·16·16 = 4096.

Bezuqszeichen

100 Vorrichtung

105 Element

1 10 Signalgenerator

1 15 Spule

120 Auswerteeinrichtung

125 Tiefpassfilter

130 Diode

205 Schalteinrichtung

210 Steuereinrichtung

305 Anordnung

310 Trajektorie

315 Position

320 Abstand

405 erstes Ende

410 zweites Ende

415 Zeilenleitung

420 Spaltenleitung

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung (100) zur induktiven Positionsbestimmung, umfassend:

- eine Anordnung (305) mit mehreren Spulen (1 15);

- ein bewegliches Element (105) zur Beeinflussung der Induktivität wenigstens einer der Spulen (1 15) in Abhängigkeit seines Abstands zu der Spule (1 15);

- einen Signalgenerator (1 10), der mit ersten Enden (405) der Spulen (1 15) verbunden ist;

- eine Schalteinrichtung (205) für jede der Spulen (1 15), jeweils zur Verbindung eines zweiten Endes (410) der Spule (1 15) mit einem vorbestimmten Potential;

- eine Steuereinrichtung (1 10) zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen (205), um eine der Spulen (1 15) mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden;

- eine Auswerteeinrichtung (1 10) zur Bestimmung der Position des Elements (105) bezüglich der Spule (1 15) auf der Basis einer Spannung an der Spule (1 15),

dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Beweglichkeit des Elements (105) bezüglich der Spulen (1 15) beschränkt ist; und

- die Steuereinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, nur solche Spulen (1 15) mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden, die im Beweglichkeitsbereich des Elements (105) liegen.

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei

- die Beweglichkeit des Elements (105) auf eine vorbestimmte Trajektorie bezüglich der Anordnung (305) von Spulen (1 15) beschränkt ist;

- ein maximaler Abstand zwischen einer Spule (1 15) und dem Element (105) vorgegeben ist, in dem die Beeinflussung der Induktivität der Spule (1 15) durch das Element (105) anhand der sich an der Spule (1 15) einstellenden Spannung auswertbar ist; und

- wobei die Steuereinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, nur solche Spulen (1 15) mit dem vorbestimmten Potential zu verbinden, deren Abstände von der Trajektorie kleiner als der maximale Abstand sind.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schalteinrichtungen (205) elektrisch in einer Matrix von Zeilen und Spalten angeordnet sind, sodass jede Schalteinrichtung (205) durch Ansteuerung einer vorbestimmten Kombination von Dimensionen der Matrix eingeschaltet werden kann.

4. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Element (105) in seinen Abmessungen bezüglich der Anordnung (305) von Spulen (1 15) so gestaltet ist, dass es mehrere Spulen (1 15) gleichzeitig beeinflussen kann.

5. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Signalgenerator (1 10) ein Rechtecksignal bereitstellt.

6. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spule (1 15) eine Planarspule ist.

7. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine an der Spule (1 15) anliegende Wechselspannung mittels eines Tiefpassfilters (125) in eine Gleichspannung integriert wird.

8. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (1 10) einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikrocomputer (210) umfasst und der Mikrocomputer einen digitalen Ausgang umfasst, der zur Bereitstellung des Rechtecksignals eingerichtet ist.

9. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Element (105) ein elektrisch leitfähiges Dämpfungselement umfasst.

10. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Element (105) ein ferromagnetisches und elektrisch isolierendes Verstärkungsele- ment umfasst.