CN115476909A - 具有电机和传感器装置的转向柱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的转向柱(1)，所述转向柱包括支承单元(2)、能调节地保持在支承单元(2)上的调节单元(5)、具有电机(9、10)的调节装置(12)，所述调节装置用于相对于支承单元(2)调节所述调节单元(5)，其中所述电机(9、10)具有马达轴和传感器装置，所述传感器装置包括第一传感器元件和第二传感器元件。所述第一传感器元件和第二传感器元件分别构造和布置用于检测在马达轴转动时变化的磁场，其中所述第一传感器元件和第二传感器元件相对于电机(9、10)不同地定向。

Description

具有电机和传感器装置的转向柱

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的转向柱，其包括支承单元、能调节地保持在支承单元上的调节单元以及具有电机的调节装置，其中，所述调节装置用于相对于支承单元调节所述调节单元。

背景技术

在现有技术中已知这种转向柱。在此，其可以构造用于借助调节装置沿纵向和/或在高度上相对于支承单元调节该调节单元，尤其以实现布置在转向柱上的转向手柄的与汽车驾驶员匹配的操作位置。此外，针对机动车的自主驾驶已知，将调节单元相对于支承单元从操作位置转移至贮藏位置并且反之，在操作位置，机动车驾驶员能够手动控制机动车，在贮藏位置，机动车能够无需机动车驾驶员的转向介入而自动转向。在此，为了能够精确确定转向柱的调节单元的位置，尤其针对机动车约束系统的最优操控，DE 10 2019 108 466 A1公开了一种具有位置识别设备的转向柱。在此的缺点在于相对复杂的构造和大量的构件。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于，提供一种改善的转向柱，其有利地检测调节单元的电机的运行，此外还实现简单且成本低廉的位置确定，尤其同时具有高精度。

为了实现该目的，提出根据权利要求1的转向柱。本发明其他有利的设计方案在从属权利要求中和说明书中描述并在附图中示出。

所提出的解决方案规定了一种用于机动车的转向柱，其包括支承单元、能调节地保持在支承单元上的调节单元和具有一个电机或多于一个电机的调节装置，其中，所述调节装置用于相对于支承单元调节所述调节单元。在此，调节装置的电机具有马达轴和传感器装置。所述传感器装置包括第一传感器元件和第二传感器元件，其分别构造和布置用于检测在马达轴转动时改变的磁场，其中，所述第一传感器元件和第二传感器元件相对于电机不同地定向。在此，从检测的磁场的改变能够有利地获得马达轴的旋转(Umdrehung)。因此，第一传感器元件和第二传感器元件可以一方面提供用于操控电机的信息。此外，能够有利地通过分析由第一传感器元件提供的第一信号和由第二传感器元件提供的第二信号而间接地确定调节单元相对于支承单元的位置。因为调节单元能够占据的各个最靠外的位置分别彼此相距马达轴的明确定义的转数。通过使第一传感器元件和第二传感器元件不同地定向，在此能够有利地沿第一方向和第二方向获得磁场，其中，由此有利地提高了测量精确性。此外，能够有利地可靠地确定旋转方向。

第一传感器元件和第二传感器元件有利地布置在共同的平面内。该共同的平面尤其是共同的几何平面。尤其规定，第一传感器元件和第二传感器元件布置在共同的电路板上。由此有利地简化了构造。

电机的马达轴尤其沿着马达轴线延伸，其中，第一传感器元件和第二传感器元件有利地位于的平面垂直于该马达轴线。由此能够实现传感器元件特别有利的定向，以检测磁场或磁通密度。

根据本发明的特别有利的实施形式，第一传感器元件和第二传感器元件以80°至100°之间的角度范围内的角度彼此偏置地定向。特别有利的是，第一传感器元件和第二传感器元件以90°的角度彼此偏置地定向，尤其相对于马达轴线偏置。这种定向在测量精确性方面有利。此外，该定向在确定马达轴的旋转方向方面有利。

在本发明的另一有利的设计方案中，第一传感器元件进一步构造为提供关于检测的磁通密度的第一信号。此外，第二传感器元件有利地构造为，提供关于检测的磁通密度的第二信号。尤其规定，第一传感器元件和第二传感器元件集成在电路中，该电路已经能够实现对提供的信号的处理，从而第一信号和第二信号能够经过预处理后转发。

另一有利的设计方案在马达轴上具有抗扭布置的磁环，其中，该磁环优选具有两个极或四个极。尤其规定磁环的极在周向上交替布置。极尤其均匀地构造。但是，也可以规定磁环不对称地构造，从而实现对完整旋转(360°)的简单探测。极的数量优选为偶数。虽然两个或四个极尤其对于简单构造是有利的，但是也可以尤其设置具有六个或八个极或者更多个极的磁环。

根据一种有利的改进方案，第一传感器元件和第二传感器元件相对于对应的电机定向为，使得在磁环具有两个极的情况下，第一传感器元件的第一信号和第二传感器元件的第二信号彼此偏移90°，在磁环具有四个极的情况下，彼此偏移45°，在磁环具有六个极的情况下，彼此偏移30°，并且在磁环具有八个极的情况下，彼此偏移22.5°。以这种方式能够进一步改善测量精确性。

进一步有利地规定，传感器装置为2D霍尔传感器，其中，第一传感器元件为2D霍尔传感器的第一霍尔元件，并且第二传感器元件为2D霍尔传感器的第二霍尔元件。由此能够在结构上特别简单且低成本地实现构造，尤其因为仅使用一个构件。2D霍尔传感器也可以尤其实施为3D霍尔传感器。其中，仅使用三个霍尔元件中的两个，它们的掺杂的半导体层关于马达轴线彼此偏置90°地布置。尤其规定，2D霍尔传感器是集成电路的一部分，其中，该集成电路有利地已经能够实现对由霍尔传感器检测到的信号进行预处理。有利地，旋转的磁场能够通过霍尔元件的不同定向而在径向和切向上同时由构件、即2D霍尔传感器检测。部件的位置需求有利地对应于一个单个构件的，并尤其能够布置在马达内的电路板上。在2D或3D中的D表示维度，因此2D与二维同义，3D与三维同义。

根据本发明的另一特别有利的实施形式，转向柱包括分析单元，其中，该分析单元构造用于分析由第一传感器元件和第二传感器元件提供的信号。尤其规定，分析单元构造用于从由第一传感器元件和第二传感器元件提供的信号确定马达轴的旋转。此外，分析单元有利地构造用于从由第一传感器元件和第二传感器元件提供的信号确定马达轴的旋转方向，尤其借助积分信号。有利地，由此能够监测电机的操控。此外，分析单元有利地构造用于检测马达轴的转数。此外，分析单元有利地构造用于借助积分信号确定马达轴的旋转方向。替代地，设置传感器装置，其构造用于直接输出方向信号。有利地，在此在内部在传感器装置中处理第一和第二传感器元件的组合，以直接输出方向信号。尤其传感器装置可以是2D霍尔传感器，其构造用于直接输出速度信号和方向信号。

另一有利的设计方案规定一种信号转换器，其构造用于将提供的信号、尤其由第一传感器元件提供的信号和/或由第二传感器元件提供的信号在分析之前转换为离散的信号、尤其具有低电平和高电平的二进制编码信号。由此有利地简化了信号的后续处理。

根据另一个有利的设计方案设置接口，其构造用于将第一传感器元件和第二传感器元件的信号传递至分析单元。尤其设置3线接口或4线接口作为接口。在3线接口的情况下尤其设置以下占用：1：供电和沿X方向的信号，2：沿Y方向的信号，3：接地。在4线接口的情况下尤其设置以下占用：1：供电，2：沿X方向的信号，3：沿Y方向的信号，4：接地。针对信号的传递尤其也规定，转向柱具有总线接口，尤其使用SPI(SPI：Serial Peripheral Interface)、SENT(SENT：Single Edge Nibble Transmission)、SPC(SPC：Short PWM Code Frames)或者I2C(I2C：Inter-Integrated Circuit)。尤其也设置共同的供电装置。

另一有利的设计方案规定，传感器装置和电机布置在共同的壳体内。由此能够有利地实现特别紧凑的构造并且保护电机和传感器装置。

根据本发明的另一特别有利的设计方案，转向柱包括位置确定装置。该位置确定装置有利地构造用于在使用第一传感器元件和第二传感器元件的条件下确定调节单元相对于支承单元的位置。为此，位置确定装置有利地对应有分析单元。尤其规定，分析单元包括在位置确定装置中。

尤其规定，电机构造为用于调节单元的纵向调节的第一电机，并且调节装置包括用于调节单元的高度调节的第二电机，其中，传感器装置作为第一传感器装置对应于第一电机，并且第二电机对应有第二传感器装置。尤其规定，第一传感器装置和第二传感器装置构造相同。有利地，位置确定装置从检测到的马达轴转数和检测到的马达轴旋转方向获得调节装置相对于支承单元的位置。有利地，能够以此方式在结构紧凑的同时实现高测量精确性，这尤其对于布置在转向柱上的转向手柄的确切位置确定以及对机动车约束系统、如气囊的精确控制是需要的。

附图说明

结合附图中示出的实施例进一步阐述本发明的其他有利的细节、特征和设计细节。在此示出了：

图1示出了根据本发明构造的转向柱的实施例的透视图；

图2示出了图1中的实施例的另一透视图；

图3示出了根据本发明构造的转向柱的传感器单元的实施例的简化示意图，该传感器单元布置用于检测布置在马达轴上的磁环的变化的磁场；

图4示出了用于根据本发明构造的转向柱的传感器单元的实施例的俯视图；并且

图5示出了根据图3的传感器单元提供的第一信号和第二信号的示例性走势的图像。

具体实施方式

在不同附图中，相同的部件通常设有相同附图标记并因此有些也分别仅结合其中一个附图进行阐释。

在图1和图2中所示的转向柱1的实施例包括支承单元2，借助其能够将转向柱1布置到机动车的车身上。此外，转向柱还包括调节单元5，其具有外套管3和内套管6，其中，调节单元5在支承单元2上纵向和高度可调地保持。在调节单元5中还围绕其纵轴线8能够旋转地支承转向轴7。

调节单元5的内套管6在该实施例中能够沿着转向轴7的纵轴线8在外套管3中移动。在内套管6的后部末端上，内套管6还具有保持元件16，在其上能够布置转向手柄，尤其方向盘。

通过转向手柄，驾驶员能够将转向愿望转化为转向轴7的旋转运动，该旋转运动然后通过图1和图2中在转向柱1的前部末端处示出的万向节和其他转向轴部件引入在图1和图2中未示出的转向传动装置。但是，尤其也可设置线控转向系统，其中，在转向手柄和机动车的可转向的车轮之间不存在机械耦联，并且其中，将检测到的转向运动作为控制信号传递至作用于转向传动装置的转向执行器。

为了实现转向柱1相对于支承单元2的纵向和高度可调性，转向柱1还包括调节装置12，其为了纵向调节和高度调节而以已知的方式具有第一电机9和第二电机10，其分别具有螺杆驱动器、也称作芯轴驱动器。螺杆驱动器在此可以尤其具有布置在相应电机9、10的输出端上的蜗杆，其中，该蜗杆与蜗轮啮合。蜗轮或者抗扭地与螺杆耦联(称作转动芯轴驱动器或者旋转芯轴驱动器)、或者抗扭地与芯轴螺母耦联(称作沉入式芯轴驱动器)。因此通过操控第一电机9，进行调节单元5的纵向调节。通过操控第二电机10，进行调节单元5的高度调节。尤其规定，第一电机9和第二电机10具有共同的电流供应装置或电压供应装置。

为了实现第一电机9和第二电机10的操控，转向柱1在该实施例中包括控制单元13，其在图1和图2中仅示意性示出。控制单元13可尤其通过通信总线、尤其CAN总线(CAN：Controller Area Network，控制器局域网)与第一电机9和第二电机10通信技术地连接。控制单元13可尤其为相应编程的微控制电路。但是，控制单元13也可以是机动车的中央ECU(ECU：Electronic Control Unit，电子控制单元)的一部分，尤其舒适控制设备。

控制单元13包括位置确定装置11，其具有在图1和图2中未详细示出的分析单元。位置确定装置11构造用于确定调节单元5相对于支承单元2的位置。为此，调节装置12的电机9、10分别包括在图1和图2中未示出的传感器装置20，其具有第一传感器元件21和第二传感器元件22。第一传感器元件21和第二传感器元件22分别构造和布置为检测在相应电机9、10的马达轴旋转时改变的磁场，其中，第一传感器元件21和第二传感器元件22相对于与其对应的电机9、10不同地定向。

下面参照图3至图5阐述传感器装置20的实施例以及借助位置确定装置11使用由传感器装置20提供的信号31、32进行的位置确定。

在此，图3示出了十分简化的仅示意性示出的第一电机9的前视图。针对第二电机10，设计方案可以一致。第一电机9包括马达轴14和抗扭地布置在马达轴14上的磁环15。磁环15在该实施例中具有两个极，即作为第一极17的磁南极和作为第二极18的磁北极。

另外，电机9包括电路板19和布置在电机9的电路板19上的传感器装置20，其在图4中详细示出。尤其规定，电机9和电路板19与传感器装置20布置在共同的壳体中，其中，该壳体针对外部影响、例如潮湿受到保护。传感器装置20在该实施例中是集成在具有多个触针25的IC(IC：Integrated Circuit，集成电路)24中的2D霍尔传感器，并具有作为第一传感器元件21的第一霍尔元件和作为第二传感器元件22的第二霍尔元件。在此，传感器装置20位置固定地布置并且在马达轴14旋转时不跟随旋转。通过为针对电机9现有的电路板19配备2D霍尔传感器，几乎不需要额外的结构空间。

传感器装置20的传感器元件21、22在此相对于电机9布置为使得其检测由磁环15引起的磁场40，如在图3中通过箭头符号表示的那样，即分别检测相应布置位置处的磁通密度。如果马达轴14、并且因此布置在其上的磁环15围绕马达轴线M旋转，那么由传感器元件21、22检测到的磁场40以及检测到的磁通密度也改变。在此，第一传感器元件21和第二传感器元件22相对于电机9不同地定向，即，使得由第一传感器元件21产生的关于检测的磁通密度的第一信号31以及由第二传感器元件22产生的关于检测的磁通密度的第二信号32彼此偏移90°。由于不同的不精确性，例如涉及传感器元件21、22的定向和/或马达轴14的非理想的循环，在信号31、32的偏移中可能与90°出现一定偏差，尤其直至10％的偏差。

第一传感器元件21和第二传感器元件22在通过IC 24或电路板19形成的共同的平面内布置，该平面垂直于马达轴14的马达轴线M延伸。相应传感器元件21、22的掺杂的半导体层在此垂直于绘图平面定向，其中，第一传感器元件21和第二传感器元件22彼此偏置约90°定向，如图4中所示。

由此导致，旋转的磁环15的由第一传感器元件21和第二传感器元件22检测的磁通密度表现为正弦信号。该正弦信号曲线在此在该实施例中由IC 24包含的信号转换器(在附图中未详细示出)转换为离散信号31、32。这样转换后的第一信号31和这样转换后的第二信号32在此仅在低电平33和高电平34之间切换，例如在图5中示出。

第一传感器元件21的转换后的第一信号31以及第二传感器元件22的转换后的第二信号32在此输入到位置确定装置11的分析单元。在此，分析单元从第一信号31和第二信号32确定马达轴14的旋转，这与相应信号31、32的周期相对应。此外，分析单元在考虑信号偏置的条件下确定马达轴14的旋转方向26。在此，位置确定装置11包括计数器，其对马达轴14沿相应旋转方向的旋转进行计数，并且优选包括存储器以保存计数并在之后的时间点再次读取。在将调节单元5从一个停放处(Anschlag)调节至另一停放处时所需的马达轴24的转数在此固定。由此，位置确定装置11则定义地从为电机9检测并分析的、用于纵向调节的-针对电机10相应地用于高度调节的-信号31、32确定调节单元5相对于支承单元2的纵向位置。

此外，分析单元有利地从信号31、32的频率确定马达轴14的转速。

就此而言，由传感器装置20提供并由分析单元分析的信号尤其也可以提供给控制单元13以用于操控第一电机9或第二电机10。

在附图中示出并结合本文阐述的实施例用于阐述本发明并且不对其造成限定。

附图标记说明

1 转向柱

2 支承单元

3 外套管

4 枢转轴

5 调节单元

6 内套管

7 转向轴

8 纵向延伸轴线

9 第一电机

10 第二电机

11 位置确定装置

12 调节装置

13 控制单元

14 马达轴

15 磁环

16 保持元件

17 第一极

18 第二极

19 电路板

20 传感器装置

21 第一传感器元件

22 第二传感器元件

24 集成电路

25 触针

26 马达轴(14)的旋转方向

31 第一信号

32 第二信号

33 低电平

34 高电平

40 磁场

M 马达轴线

Claims (15)

1.一种用于机动车的转向柱(1)，所述转向柱包括支承单元(2)、能调节地保持在支承单元(2)上的调节单元(5)、具有电机(9、10)的调节装置(12)，所述调节装置用于相对于支承单元(2)调节所述调节单元(5)，其特征在于，所述电机(9、10)具有马达轴(14)和传感器装置(20)，其中所述传感器装置包括第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)，其中所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)分别构造和布置用于检测在马达轴(14)转动时变化的磁场(40)，其中所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)相对于电机(9、10)不同地定向。

2.根据权利要求1所述的转向柱(1)，其特征在于，所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)布置在共同的平面内。

3.根据权利要求2所述的转向柱(1)，其特征在于，所述马达轴(14)沿着马达轴线(M)延伸，其中所述平面垂直于所述马达轴线(M)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)彼此偏置90°地定向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，所述第一传感器元件(21)还构造用于提供关于检测到的磁通密度的第一信号(31)，并且所述第二传感器元件(22)还构造用于提供关于检测到的磁通密度的第二信号(32)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，在马达轴(14)上抗扭地布置磁环(15)，其中所述磁环(15)具有两个极(17、18)或四个极。

7.根据权利要求5和6所述的转向柱(1)，其特征在于，所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)相对于电机(9、10)定向为，使得在磁环(15)具有两个极(17、18)的情况下，所述第一信号(31)和第二信号(32)彼此偏移90°，在磁环(15)具有四个极的情况下，彼此偏移45°。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，所述传感器装置(20)是2D霍尔传感器，其中所述第一传感器元件(21)是2D霍尔传感器的第一霍尔元件，并且所述第二传感器元件(22)是2D霍尔传感器的第二霍尔元件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，设置分析单元，所述分析单元构造用于从由所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)提供的信号(31、32)确定马达轴(14)的旋转和马达轴(14)的旋转方向(26)。

10.根据权利要求9所述的转向柱(1)，其特征在于，所述分析单元还构造用于借助积分信号确定马达轴(14)的旋转方向。

11.根据权利要求9或10所述的转向柱(1)，其特征在于，设置信号转换器，所述信号转换器构造用于将提供的信号在分析前转换为具有低电平(33)和高电平(34)的二进制编码的信号。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，设置3线接口或4线接口，其构造用于将第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)的信号(31、32)传递至分析单元。

13.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，所述传感器装置和电机布置在共同的壳体内。

14.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，设置位置确定装置(11)，其构造用于在使用所述第一传感器元件(21)和第二传感器元件(22)的条件下确定所述调节单元(5)相对于支承单元(2)的位置。

15.根据前述权利要求中任一项所述的转向柱(1)，其特征在于，电机(9)构造为用于所述调节单元(5)的纵向调节的第一电机，并且所述调节装置(12)包括用于所述调节单元(5)的高度调节的第二电机(10)，其中所述传感器装置(20)作为第一传感器装置对应于第一电机(9)，并且第二电机(10)对应有第二传感器装置。

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