インダクティブ方式の位置判定

本発明は、インダクティブ方式の位置判定に関する。特に本発明は、自動車に搭載された装置の位置判定に関する。

自動車においては、異なる装置に、第1素子の第2素子に対する位置を探査する位置センサが、例えば下降可能な窓の位置、座席位置、またはギヤレバーのシフト位置を探査するために取り付けられている。そうした位置を検出する位置センサは、インダクティブ方式に構成可能であり、素子のうちの一方の素子にコイルが、および他方の素子に導電性素子が、取り付けられている。コイルには、既定の周波数の正弦波電圧を印加可能である。コイルにおいては、コイルのインダクタンスに依存する複素電圧が調整される。導電性素子がコイルに近接して存在するほど、導電性素子において誘導され、かつコイルの領域の磁界を弱める渦電流が強くなる。これにより、コイルのインダクタンスは悪影響を受けるために、コイルにおける電圧が下降する。そのため、素子の互いに対する位置を、コイルにおいて調整される電圧によって判定可能である。

しかしながら正弦波発生器を構成するには、通常、感応性の高いアナログ回路か、または複雑なデジタル回路が必要である。さらに電圧は、評価可能とするために、通常アナログ測定増幅器を用いて、コイルにおいて分離されなければならない。この種の増幅器には、温度ドリフトの印加、セトリングタイムの長期化、および誤り率の上昇が伴う可能性がある。

従って本発明の課題は、改良された、インダクティブ方式で位置を判定する装置を提供することである。本発明は、独立請求項に記載の特徴を有する装置を用いて、この課題を解決するものである。従属請求項は、好適な実施形態を明らかとする。

インダクティブ方式で位置を判定する装置は、信号発生器と、信号発生器と接続されたコイルと、コイルへの間隔に応じてコイルのインダクタンスに影響する素子と、コイルにおける電圧に基づいて、素子のコイルに対する位置を判定する評価ユニットと、を備える。この場合、信号発生器は矩形波信号を供給する。信号発生器は、コイルを励起させる矩形波信号を供給する。従って、コイルにおける電圧を評価可能とするために従来必要であった、全ての能動的な電気部品が省略される。例えば、ローパスフィルタで信号発生器の信号をフィルタすることは、もはや不要である。なぜなら、もはや正弦波形の信号が所望されないためである。さらに、信号発生器の信号を強制的に強めることも不要である。なぜなら、フィルタに起因する従来のエネルギ損失が、上述により除かれるためである。信号発生器の矩形波信号はまた、コイルに直接に印加されるか、および/または専ら受動的な電気部品を用いて印加される。従って、そうした装置の製造費用が低減可能である。さらに探査されたコイル電圧も同様に、もはや強制的に強める必要がない。矩形波信号は、例えばデジタルな論理回路、またはプログラム可能なマイクロコンピュータを用いて実現可能である。この場合、矩形波信号の電圧は、例えば0ボルトおよび+5ボルトである通常の論理レベルに対応可能であるため、コイルにおいて電圧を惹起させ、その電圧を評価ユニットにより識別および探知可能とすべく、矩形波信号を十分に強力とすることが可能である。矩形波信号用の増幅器も、コイルの電圧用の増幅器と同様に、不要とすることができる。

電気的な能動部品の個数が、このようにして低減されることにより、コイルの電圧の計測値が安定するまでの起動時間またはセトリングタイムが低減される。換言すると、矩形パルスが矩形波信号の部分として、信号発生器により生成される場合、コイルにおける電圧が安定するまで、規定された時間がかかる。電圧が安定する以前に電圧が探査されると、こうした電圧の探査により、誤った探査値が出る可能性があることから、このようなセトリングタイムは可及的に短いことが有利である。セトリングタイムは、特に、信号発生と信号のコイルへの着信との間で実行される信号処理の複雑性、および周囲温度に左右される。ローパスフィルタと信号増幅器を除くことは、信号処理の複雑性の低減として特筆される。従って本発明の着想により、セトリングタイムは、この場合、例えば十分の一を意味可能である位、大幅に短縮される。セトリングタイムの温度依存性は、実質的には、例えば増幅器のような能動部品の温度感度に左右されることから、能動部品を低減することで、セトリングタイムが、同様に装置の全作動温度領域を上回るよう短縮される。自動車技術の分野で使用される電子部品のための作動温度領域は、例えば−40℃と+110℃の間とすることができる。

矩形波信号は、基本周波数に対する幾つかの高調波を含むことができる。各高調波は、同様にコイルにおける電圧に影響可能である。そのため、コイルにおける電圧信号は、改良された精度で素子の位置を指摘可能である。電圧は、上昇時間または下降時間を短縮可能であるため、素子の位置をより迅速に判定可能である。例えば、通常の正弦波電圧を参照する計測は、約300マイクロ秒の計測時間を必要とする。一方、提案された装置は、約10マイクロ秒の領域の計測時間で計測を終了可能である。

さらに、電気部品を除くことで、装置をコンパクトに構成可能である。これにより、信頼性および要求される寿命が、同様に高まる。

一実施形態において、電流を制限する抵抗は、信号発生器の下流にコイルと直列に接続されている。従ってコイルを貫流可能な電流は、予め与えられた最大電流値に制限可能であり、および装置の寿命を伸ばすことができる。

好適な実施形態において、コイルは一層の平面コイルとして構成されている。コイルで探査される電圧においてエネルギ損失を除くことにより、そうした装置において平面コイルを複数層で形成することが、もはや不要となる。従って、製造費用が更に低減可能である。なぜなら、複数層のコイルの製造費用は、一層のコイルの製造費用より著しく高額であるためである。複数層のコイルを製造する場合、例えば、各コイルを1つずつ確認することが必要となる。特に電気的接続は、複数層のコイルの層の間に、確実に与えられなければならない。これとは反対に、一層のコイルの全体性または機能効率性は、自動的に目視可能または視覚的に確認可能である。なぜなら、コイル全体が、一平面上で可視なためである。

コイルにおける電圧は、好適には、矩形波信号の周波数を有する交流電圧を含み、および矩形波信号の奇数倍の周波数を有する少なくとも1つの更なる交流電圧(高調波)を含む。更なる交流電圧は、通常、第1交流電圧よりも振幅が小さい。一般的に矩形波信号は、基本周波数の倍数の周波数を有する無限の多数の正弦関数または余弦関数から構成可能である。こうした合成は、フーリエ級数としても既知である。矩形波電圧を構成している個々の信号は、昇圧に寄与可能である。この高められた電圧を、コイルにおいて計測信号として探査可能である。従って、素子の位置を、より強い感度、またはより早い速度で、判定可能である。電圧はプログラム可能なマイクロコンピュータを用いて評価される。そのため、このマイクロコンピュータは、計測時間の短縮に起因して、性能をより低減可能である。

好適には、コイルに印加される交流電圧は、ローパスフィルタを用いて、直流電圧に統合される。これは、特に矩形波信号を構成する異なる交流電圧に対して適用される。そのため個々の電圧は、簡便かつ効率的に総電圧へと集約されることが可能である。総電圧はサイズが改良され、素子の位置を指摘可能である。

さらに好適には、コイルは平面コイルとする。平面コイルは、例えば、プレートまたは他の適切な支持体の表面上に印刷された回路として構成可能である。一実施形態において、平面コイルは、複数層、特に二層で構成されている。平面コイルは、通常、例えば約9巻き乃至30巻きの範囲の僅かな巻き数のみを有する。対応して、コイルのグランドインダクタンスは比較的小さい。コイルは、小さいインダクタンスにより改良され、より高い周波数の電圧成分に影響可能であるため、基本発振のより多くの高調波を評価可能である。さらに平面コイルは、厚みが僅かであるため、特に自動車分野において、容易に扱いが可能である。

更なる実施形態において、コイルの端部を既定の電位と接続する制御可能なスイッチが備えられている。コイルは、コイルに関して計測を実行するために、簡便に既定の電位と接続可能である。スイッチは既定の電位へと通じており、高周波用に構成される必要がないため、高価な高周波トランジスタに替えて、例えば費用対効果に優れた低周波トランジスタを、スイッチとして使用可能である。既定の電位は、特にグランド電位とすることができる。

複数のコイルが、割り当てられた各スイッチを備えることもできる。こうした構成により、信号発生器、評価ユニット、および場合に応じてローパスフィルタを、経済的に多様に使用可能である。

制御ユニットも備えられていることが、好適である。制御ユニットは、常にスイッチのうちの1つのみが締結され、割り当てられたコイルに対する位置判定を実行するよう調整されている。素子の拡大された移動領域に亘って厳密な位置決めが可能であるよう、素子は、連続して複数のコイルに対して位置を占めることができる。

さらに好適には、評価ユニットが、アナログデジタル変換器およびマイクロコンピュータを備える。マイクロコンピュータは、矩形波信号を供給するよう調整されたデジタル出力部を含む。さらにマイクロコンピュータは、1つまたは複数の制御可能なスイッチを制御するよう調整可能である。そのため、単純かつ高度に集積されたアセンブリを提供可能である。アセンブリは、独立して扱い可能であり、および簡便かつ確実に素子の位置を判定するよう調整されている。

一実施形態において、素子は導電性の減衰素子を備える。コイルのインダクタンスは、減衰素子の接近につれて低減される。なぜなら、交番磁界によって減衰素子内で渦電流が発生し、渦電流が、交番磁界のエネルギを低減させるためである。

他の実施形態において、素子は強磁性および電気絶縁性の増幅素子を備える。増幅素子は、コイル近傍に移動されると、コイルの領域の磁界強度を強化し、および従ってコイルのインダクタンスを増大させる。

一実施形態において、装置は、自動車の変速段を選択するシフト装置の部分を構成する。

本発明は、添付の図面を参照して、更に詳説される。

インダクティブ方式で位置を判定する装置の概略図である。

図1を模範とした発展させた装置の概略図である。

図1は、インダクティブ方式で素子105の位置を判定する装置100を示す。装置は、可動素子の位置または状態を判定するために、特に自動車に搭載して使用可能である。例えば、変速機の変速段用のセレクタレバーの、コンソールに対する位置を探査可能である。他の実施形態においては、自動車と、トレーラカプラを用いて連結されたトレーラの間の回転角を判定可能である。磁気素子105は一般的に、曝露される交番磁界に影響を及ぼす素子である。この場合、素子105は、コイル115の領域の交番磁界を弱めるために、特に導電性であることが可能であり、またはコイル115の領域の交番磁界を強めるために、強磁性および電気絶縁性であることが可能である。素子105は、第1の場合、例えば銅またはアルミニウムを含有可能であり、第2の場合、例えば鉄、ニッケルまたはコバルトを含有可能である。装置100は、素子105に加えて、矩形波信号を供給する信号発生器110、コイル115および評価ユニット120、および電流を制限する抵抗Rを備える。抵抗Rは、信号発生器110の下流にコイル115と直列に接続されている。従ってコイル115を貫流する電流は、予め与えられた最大電流値に制限可能であり、および装置の寿命を伸ばすことができる。

信号発生器110は、その出力部で、固定電位に対して、図1においてはグランドに対して、矩形波電圧を供給する。コイル115は、第1端部で信号発生器110の出力部と、および他の端部で更なる固定電位と接続されている。更なる固定電位は、他の固定電位に対応可能である。評価ユニット120は、コイル115と接続され、かつ、コイル115において信号発生器110の矩形波信号に応じて発生する電圧を探査するよう調整されている。そのために、好適には、コイル115と評価ユニット120の間に、インテグレータまたはローパスフィルタ125を備える。任意に、ダイオード130をコイル115からローパスフィルタ125への順方向に導くことができる。ローパスフィルタ125は、コイルにおいて高周波信号を既定の期間に亘って積分し、および評価ユニット120に対して対応する電圧を供給する。

素子105のコイル115に対する位置は、コイル115のインダクタンスに影響する。コイル115のインダクタンスは、素子105のコイル115への接近につれて、素子105の材料に応じて、増大可能または低減可能である。コイル115は、好適には平面コイルとして構成されている。平面コイルは、扱いを容易に保つために、延在が限定される。従って、コイル115のインダクタンスは比較的小さい。素子105は、通常、平面コイル115の延在する領域に延在する。

信号発生器110の矩形波信号は、異なる周波数および振幅の、正弦波信号または余弦波信号が重なったもの、と見なすことができる。第1正弦波信号は、基本周波数として、矩形波信号の周波数を有する。更なる正弦波形の信号は、基本周波数の整数倍に対応する周波数を有する。周波数が高いほど、通常、周波数の振幅はより小さい。

基本周波数の奇数倍は、互いに強めあうよう作用する。そのため、コイル115は、特にコイル115のインダクタンスが小さい場合には、正弦波信号のうちの複数の正弦波信号に対して反応可能である。従ってコイル115において下降する電圧は、同様に複数倍に、素子105の位置により影響を受けることが可能である。従って、素子105が存在する場合および不在の場合に、コイル115における電圧差を最大化することができる。計測信号は、改良された信号対雑音比を有することが可能であり、計測信号用の増幅器を省略可能である。

評価ユニット120は、特にデジタルアナログ変換器を備えることができる。デジタルアナログ変換器は、数値を、例えばプログラム可能なマイクロコンピュータに供給可能である。しかしながら、電圧計測における他の信号処理もまた、可能である。

図2は、図1を模範として発展させた装置100の概略図である。この場合、複数のコイル115が備わり、これらコイル115の各一方の端部が、抵抗Rを介して信号発生器110と接続されている。各他方の端部は、スイッチ205を用いて、既定の定電位と接続可能である。スイッチ205は、特にトランジスタにより構成可能である。スイッチ205は、信号発生器110の矩形波信号の周波数に関わらず、高い周波数を伝送する必要がないため、スイッチ205用に、例えば費用対効果に優れた低周波トランジスタを使用可能である。

スイッチ205は、制御ユニット210により制御される。制御ユニット210は、特にプログラム可能なマイクロコンピュータを備えることができる。制御ユニット210は、各時点に対してスイッチ205のうちの1つのみが締結され、素子105、または複数の素子105の、割り当てられた各コイル115に対する位置の計測を実行するよう調整されている。制御ユニット210は、評価ユニット120を用いて判定された電圧に対して、更なる処理を実行可能である。特に制御ユニット210がプログラム可能なマイクロコンピュータとして構成されている場合、評価は、数値的または統計的な操作を含むことができる。

図示の実施形態においては、制御ユニット210は矩形波信号を供給するためにも構成されており、従って信号発生器110としても作動する。例えば、制御ユニット210のシリアルインターフェイスまたはパラレルインターフェイスを、例えば0と3.3ボルトの間、または0と5ボルトの間の、比較的高い振幅を有する矩形波信号を供給するために使用可能である。他の電圧に対しては、対応して制限器または増幅器を使用可能である。

上述の矩形波信号により、コイル115に対して、セトリングタイムを短縮するよう作用可能である。つまり、コイル115において読取可能な電圧は、正弦波信号の場合よりも迅速に、素子105の存在または不在を指摘可能である。個々のコイル115による計測プロセスを、これにより比較的迅速に、例えば約10乃至20マイクロ秒の計測フェーズの間に実行可能である。異なるコイル115による個々の計測フェーズの間に、各計測休止を挿入可能である。計測休止は、類似の継続期間を有することができる。計測時間が短いため、制御ユニット210により、多くのコイル115を連続してクエリ可能であり、従って、制御ユニット210の処理能力が僅かであっても、より確実かつ迅速な位置判定が可能である。制御ユニット210は、約20個までのコイル115による通常の適用において、市場で流通している8ビットのマイクロコンピュータを装備可能である。正弦波信号に基づく計測法に必要とされる32ビットのマイクロコンピュータは、省略可能である。

素子105は、コイル115の配置に対して、複数のコイル115に同時に影響可能な寸法とすることができる。各コイル115のインダクタンスは、素子105の各間隔に応じて、多少は強く影響を受ける。そのため、この場合に、素子105の厳密な位置を、影響を受けたコイル115によりローパスフィルタ125に供給される電圧の比率に基づいて、推測可能である。

100 装置 105 素子 110 信号発生器 115 コイル 120 評価ユニット 125 ローパスフィルタ 130 ダイオード 205 スイッチ 210 制御ユニット R 抵抗