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Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor und ein Verfahren zum Herstellen des Winkelsensors.
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Aus der
DE 10 2009 021 648 A1 ist ein Höhenstandssensor zum Erfassen einer relativen Lage eines Radesgegenüber einem Chassis in einem Fahrzeug bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Höhenstandssensor zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Positionieren eines Sensorelements eines Sensors in einer vorbestimmten Richtung, der mit dem Sensorelement und einem weiteren Sensorelement eingerichtet ist, basierend auf einem Geberfeld ein von einer zu messenden physikalischen Größe abhängiges Signal zu erzeugen, die Schritte:
- – Einbringen eines Testfeldes quer zur vorbestimmten Richtung, das durch das zu positionierende Sensorelement beeinflussbar ist,
- – Verschieben des zu positionierenden Sensorelementes in der vorbestimmten Richtung, bis das Testfeld eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass in einem berührungslos messenden Sensor, wie beispielsweise dem eingangs genannten Höhenstandssensor, der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen, also dem Geberelement und dem Messaufnehmer mit möglichst geringen Toleranzen ausgeführt sein muss, weil jede Lageverschiebung zwischen den beiden Sensorelementen die Erfassung der zu messenden physikalischen Messgröße verfälscht.
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Jedoch werden die beiden Sensorelemente in der Regel in einem sehr beengten Bauraum gegeneinander positioniert. Zumal wird in der Regel der Messaufnehmer positioniert, der auf einer Leiterplatte gehalten ist, die dann wiederrum die Sicht auf die beiden Sensorelemente bei der Positionierung verdeckt. Daher ist eine toleranzarme Positionierung der beiden Sensorelemente zueinander technisch schwierig.
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Hier greift das angegebene Verfahren mit der Überlegung an, zwischen den beiden Sensorelementen ein Testfeld zu platzieren, das von wenigstens einem der beiden Sensorelemente beeinflusst werden kann, um die Lageveränderung des Sensorelementes bei der Positionierung nachzuvollziehen. Für eine bestimmte Position des zu positionierenden Sensorelementes kann eine bestimmte Voraussetzung für das Testfeld definiert werden. Erfüllt das Testfeld dann diese bestimmte Voraussetzung, kann davon ausgegangen werden, dass das entsprechende Sensorelement richtig positioniert ist, weil es nur so das Testfeld nur in der richtigen Position so beeinflussen kann, dass die bestimmte Voraussetzung erfüllt ist. Auf diese Weise kann das Sensorelement präzise im Sensor positioniert werden.
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Das positionierende Sensorelement kann das Testfeld in jeder beliebigen Weise beeinflussen, solange aus der Beeinflussung des Testfeldes auf die Lage des zu positionierenden Sensorelementes zurückgeschlossen werden kann. Zweckmäßigerweise sollte das zu positionierende Sensorelement das Testfeld zum Beeinflussen abschatten. Auf diese Weise braucht lediglich die Menge an das zu positionierende Sensorelement passierendem Testfeld erfasst zu werden, die dann unmittelbar abhängig von der Lage des zu positionierenden Sensorelementes ist.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist das Testfeld Licht, denn Licht beeinflusst die Elektronik des Sensors mit dem zu positionierenden Sensorelement nicht und lässt sich mit vergleichsweise günstigen elektronischen Elementen, wie beispielsweise Leucht- und Photodioden erzeugen und erfassen.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist die vorbestimmte Bedingung ein vorbestimmter Abschattungsgrad, mit dem das zu positionierende Sensorelement das Testfeld abschattet. Dieser vorbestimmte Abschattungsgrad kann durch einen simplen Vergleich der tatsächlichen Abschattung gegenübergestellt werden, um festzustellen, ob das zu positionierende Sensorelement an seiner gewünschten Position angekommen ist.
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In einer noch anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst der Sensor ein Gehäuse, in dem zwei Einpresspins gehalten sind, auf die das Sensorelement in Form einer Leiterplatte mit einem Messaufnehmer zum Verschieben in der vorbestimmten Richtung aufgepresst wird. Durch die Einpresspins wird das Sensorelement bereits in zwei Richtungen fixiert und muss diesbezüglich nicht mehr positioniert werden. In der dritten Richtung wird das Sensorelement durch Anwendung des angegebenen Verfahrens dann ebenfalls exakt positioniert.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens werden in dem Gehäuse ein Sender und ein Empfänger zum Ausbilden des Testfeldes lösbar eingebracht. Durch das lösbare Einbringen des Senders und des Empfängers können diese nach Durchführen des angegebenen Verfahrens beispielsweise bei der Herstellung des Sensors aus dem Sensor wieder entfernt und wiederverwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor, der mit einem Sensorelement eingerichtet ist, basierend auf einem Geberfeld ein von einer zu messenden physikalischen Größe abhängiges Signal zu erzeugen:
- – das Sensorelement;
- – ein Gehäuse zum Halten des Sensorelementes gegenüber einer Wand des Gehäuses, und
- – eine Auflagefläche für eine Vorrichtung zur Durchführung eines der zuvor angegebenen Verfahren zum Positionieren des Sensorelementes.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst Vorrichtung zum Positionieren eines Sensorelementes in einem der zuvor angegebenen Sensoren:
- – einen auf der Auflagefläche positionierbaren Sender zum Aussenden eines Testfeldes,
- – einen auf der Auflagefläche positionierbaren Empfänger zum Ausgeben eines Signals basierend auf dem Testfeld,
- – wobei zwischen dem Sender und dem Empfänger ein Zwischenraum ausbildbar ist, in dem das Sensorelement positionierbar ist.
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In einer Weitebildung der angegebenen Vorrichtung sind der Sender und der Empfänger je an einem stabförmigen Element angeordnet. Auf diese Weise kann die angegebene Vorrichtung selbst in einen beengten Bauraum eingeführt und dort zur Durchführung des angegebenen Verfahrens verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug mit einem Regelkreis zu seiner Niveauregulierung,
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2 einen Höhenstandssensor zum Erfassen einer Regelgröße für die Niveauregulierung der 1,
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3 eine perspektivische Ansicht zweier Sensorelemente in dem Höhenstandssensor der 2,
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4 eine perspektivische Ansicht eines der Sensorelemente aus 3,
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5 eine Schnittansicht eines Teils des Höhenstandssensors der 2 im Schnitt,
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6 eine Schnittansicht des Teils des Höhenstandssensors der 5 in einem Zwischenproduktionszustand,
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7 eine Schnittansicht des Teils des Höhenstandssensors der 5 in einem Zwischenproduktionszustand nach dem Zwischenproduktionszustand der 6,
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8 eine Schnittansicht des Teils des Höhenstandssensors der 5 in einem Zwischenproduktionszustand nach dem Zwischenproduktionszustand der 7, und
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9 eine Schnittansicht des Teils des Höhenstandssensors der 5 in einem Zwischenproduktionszustand nach dem Zwischenproduktionszustand der 8 zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug 2 mit einer Niveauregulierung 4 zeigt.
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Mit der Niveauregulierung 4 wird ein Chassis 6 des Fahrzeuges 2 gegenüber auf einer nicht weiter gezeigten Straße rollenden Rädern 8 des Fahrzeuges 2 in seiner Lage in der Hochachse 10 geregelt. Die Niveauregulierung 4 kann beispielsweise eingesetzt werden, um bei wechselnden Beladungszuständen des Fahrzeuges 2 die optimale Bodenfreiheit und waagerechte Lage des Fahrzeuges 2 zu erhalten. Dies dient der Erhaltung der Fahrsicherheit, insbesondere wenn das Fahrzeug 2 mit einem Anhänger betrieben wird. Aber auch zum Passieren von Hindernissen kann die Niveauregulierung 4 verwendet werden, um beispielsweise das Fahrzeug 2 bei Bordsteinkanten, Tiefgarageneinfahrten, ... anzuheben oder bei Brücken, höhenbeschränkten Zufahrten, ... abzusenken.
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Dazu weist das Fahrwerksregelsystem in einer beispielsweise aus der
DE 10 2005 060 173 A1 bekannten Weise eine Steuervorrichtung
14 auf, die in der vorliegenden Ausführung aus an jedem Rad
8 angeordneten Höhenstandssensoren
16 in Form von Winkelsensoren einen Höhenstand
18 empfängt, die eine relative Lage des entsprechenden Rades
8 gegenüber dem Chassis
6 beschreiben. Basierend auf den Differenzen dieser Höhenstände
18 erfasst die Steuervorrichtung
14, eine Lage des Chassis
6 in der Hochachse
10. Weicht die erfasste Lage in der Hochachse
10 von einer Solllage
22 ab, dann steuert die Steuervorrichtung
14 in Form von aktiven Federbeinen
24 ausgeführte Aktoren an, um das Chassis
6 in diese Solllage
22 zu überführen. Als aktive Federbeine
24 können beispielsweise die aus der
DE 101 22 542 B4 bekannten Federbeine verwendet werden.
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Die Verwendung der Höhenstandssensoren 16 in der Niveauregulierung ist jedoch nur beispielhaft und nicht darauf beschränkt. Die Höhenstandssensoren 16 können in dem Fahrzeug 2 für jede beliebige Funktion, wie beispielsweise zur Leuchtweitenregulierung verwendet werden.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, in der ein Beispiel für einen der Höhenstandssensoren 16 aus 1 gezeigt ist.
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Der Höhenstandssensor 16 umfasst ein Drehgelenk 26 mit einem ersten Gelenkarm 28 und einem zweiten Gelenkarm 30, die beide an einem ersten Gelenkpunkt 32 verdrehbar zueinander verbunden sind. Ein zweiter Gelenkpunkt 34 befindet sich in 2 nicht sichtbar hinter einem noch zu beschreibenden Gehäuse 36, an einer Klammer 38, an der der erste Gelenkarm 28 verdrehbar zum Chassis 6 gelagert ist. Ein dritter Gelenkpunkt 40 befindet sich an einem ortsfest zum Rad 8 befestigbaren Lagerschuh 42, an dem der zweite Gelenkarm 30 verdrehbar zum Lagerschuh 42 gelagert ist.
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Verändert sich die relative Lage zwischen dem Chassis 6 und dem Rad 8, so werden der zweite Gelenkpunkt 34 und der dritte Gelenkpunkt 40 relativ zueinander bewegt. Weil die beiden Gelenkarme 28, 30 an den einzelnen Gelenkpunkten 32, 34, 40 drehbar gelagert sind, werden die beiden Gelenkarme 28, 30 bei einer Lageänderung des Rades 8 gegenüber dem Chassis 6 zueinander verdreht, so dass sich die beiden Gelenkarme 28, 30 um die einzelnen Gelenkpunkte 32, 34, 40 drehen. Wird die Drehung an einem der Gelenkpunkte 32, 34, 40 erfasst, kann auf die relative Lage zwischen dem Chassis 6 und dem Rad 8 zurückgeschlossen werden.
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In dem Gehäuse 36 ist eine angedeutete Auswerteschaltung 37 aufgenommen. Die Auswerteschaltung 37 erzeugt den Höhenstand 18 in Form eines Signals und gibt diesen über eine Schnittstelle 44 an die Steuervorrichtung 14 aus. Zur Erzeugung des Höhenstandes 18 erfasst die Auswerteschaltung 37 einen Drehwinkel 46 des ersten Gelenkarmes 28 gegenüber der ortsfest mit dem Chassis 6 befestigten Klammer 38. Der Drehwinkel 46 kann dabei basierend auf jedem beliebigen Messprinzip erfasst werden.
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Zum Erfassen des Drehwinkels 46 umfasst der Höhenstandssensor 16, wie in 3 gezeigt, ein erstes Sensorelement in Form eines Geberelementes, das als Gebermagnet 48 mit einem Magnetnorpol 50 und einem Magnetsüdpol 52 ein Gebermagnetfeld 54 erregt und ein zweites Sensorelement in Form eines Messaufnehmers 56, der zur Erfassung des Gebermagnetfeldes 54 und zum Ausgeben eines vom Gebermagnetfeldes 54 abhängigen Sensorsignals 58 eingerichtet ist, wobei das Sensorsignal 58 in 3 mit einem Pfeil aus dem Messaufnehmer 58 angedeutet ist. Der Messaufnehmer 56 ist zweckmäßigerweise als magnetisch sensitiver Messaufnehmer, wie beispielsweise als Hall-Element, als magnetoresistives Element oder dergleichen ausgeführt und auf der Auswertschaltung 37 gehalten und verdrahtet.
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In den Messaufnehmer 56 der 3 kann ferner eine nicht weiter referenzierte Signalaufbereitungsschaltung integriert sein, die das Sensorsignal 58 beispielsweise vor dem Senden an die Steuervorrichtung 14 in den Höhenstand 18 umwandelt und/oder es in anderer geeigneter Weise aufbereitet. Zum Senden des Sensorsignals 58 an die Steuervorrichtung 14 kann das Sensorsignal 58 über nicht weiter dargestellte Leiterbahnen auf der Auswerteschaltung 37 an die Schnittstelle 44 geleitet werden, an die dann ein zur Steuervorrichtung 14 führendes Kabel angeschlossen werden kann.
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Der Gebermagnet 48 ist am zweiten Gelenkpunkt 34 derart angeordnet, dass das Gebermagnetfeld 54 axial abgestrahlt wird und den Messaufnehmer 56 durchdringt. Dazu kann der Gebermagnet 48 beispielsweise axial auf eine in 5 gezeigte Welle 59 aufgesetzt sein, die um den zweiten Gelenkpunkt 34 drehbar ortsfest am ersten Gelenkarm 28 angebunden in das Gehäuse 36 eingesetzt sein kann. Der Messaufnehmer 56 mit der Auswerteschaltung 37 und dem 36 orstgest zum Chassis 6 angeordnet. Damit dreht sich das Gebermagnetfeld 56 aus Sicht des Messaufnehmers 56 mit dem Drehwinkel 46, was durch den Messaufnehmer 56 entsprechend detektiert und im Sensorsignal 58 ausgegeben werden kann. Die weitere Verarbeitung des damit verbundnen Höhenstandes 18 erfolgt dann in der bereits beschriebenen Weise.
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Die Auswerteschaltung 37 kann beispielsweise als Verdrahtungsträger aufgebaut sein, auf der der Messaufnehmer 56 getragen ist. Dier Anbindung an die Schnittstelle 44 kann dabei über in 5 gezeigte Einpresspins 60 erfolgen, die an im Gehäuse 36 befestigt sind. Hierzu weist die Auswerteschaltung 37 in 4 besonders gut zu sehende Bohrungen 62 für die Einpresspins 60 auf, durch die die Einpresspins 60 getrieben werden können. An diese schließen sich auch gleichzeitig elektrisch die bereits genannten Leiterbahnen an, die das Sensorsignal 58 zur Schnittstelle 44 leiten. Auf diese Weise stellen die Einpresspins 60 gleichzeitig die mechanische Schnittstelle zur Anbindung der Auswerteschaltung 37 an das Gehäuse 36 und die elektrische Schnittstelle zur Anbindung der Auswerteschaltung 37 an die Schnittstelle 44 dar.
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Während die elektrische Schnittstelle aus technischer Sicht eher unproblematisch ist, muss die mechanische Schnittstelle hohe Toleranzanforderungen erfüllen, damit ein in 5 gezeigter Abstand 63 zwischen den beiden Sensorelementen, i.e. zwischen dem Gebermagneten 48 und dem Messaufnehmer 56 in einer bestimmten Form definiert ist und das Gebermagnetfeld 54 den Messaufnehmer 56 in einer definierten Weise durchdringt. Nur so kann das Gebermagnetfeld 54 definiert ausgewertet werden. Anderenfalls würden sich die Toleranzen im Sensorsignal 58 und damit im erfassten Höhenstand 18 niederschlagen.
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Um die Toleranzanforderungen zu erfüllen, wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung die Verwendung einer in den 6 bis 9 gezeigten Vorrichtung zum Positionieren der Auswerteschaltung 37 und damit des Messaufnehmers 56 gegenüber den Gebermagneten 48 in Form eines Positionierwerkzeuges 64 vorgeschlagen. Das Positionierwerkzeug 64 wird in einer noch zu beschreibenden Weise im Gehäuse 36 angeordnet, wobei an der Auswerteschaltung 37 Führungsschlitze 66 ausgebildet sind, über die die Auswerteschaltung 37 an dem Positionierwerkzeug 64 geführt werden kann.
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Nachstehend soll anhand der 6 bis 9 erläutert werden, wie der Abstand 63 zwischen den beiden Sensorelementen 48, 56 eingestellt werden kann. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren auch nur eines der beiden Sensorelemente 48, 56, im vorliegenden Fall der Messaufnehmer 56 positioniert werden kann, weil die Position des Gebermagneten 48 an der Welle 59 beispielsweise durch eine die beiden Sensorelemente 48, 56 trennende Wand 68 im Gehäuse 36 vorgegeben werden kann, so dass sich aus beiden Positionen der Abstand 63 exakt ergibt.
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Zunächst wird das zuvor genannte Positionierwerkzeug 64, wie in 6 gezeigt, in das Gehäuse 36 eingeführt. Hierzu weist das Gehäuse 36 eine aus zwei Teilflächen ausgebildete Auflagefläche 70 auf. Auf der ersten Teilfläche wird ein stabförmiger Sender 72 des Positionierwerkzeuges 64 aufgelegt, während auf der zweiten Teilfläche ein stabförmiger Empfänger 74 aufgelegt wird.
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Der stabförmige Sender 72 umfasst ein Sendeelement 76, das eingerichtet ist, ein in 7 gezeigtes Testfeld 78 an ein Empfangselement 80 im stabförmigen Empfänger 74 zu senden. Als Testfeld 78 wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung ein Lichtfeld 78 gewählt, so dass das Sendeelement 76 und das Empfangselement 80 gemeinsam eine Lichtschranke ausbilden.
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Um den in 5 gezeigten Abstand 63 zwischen den beiden Sensorelementen 48, 56 einzustellen, wird zunächst die Auswerteschaltung 37 mit ihren Bohrungen 62 auf die Einpresspins 60 aufgesetzt. Dann wird der stabförmige Sender 72 über einen der Führungsschlitze 66 geführt auf eine Teilfläche der Auflagefläche 70 aufgesetzt. Entsprechend wird der stabförmige Empfänger 74 über den anderen der Führungsschlitze 66 auf die andere Teilfläche der Auflagefläche 70 aufgesetzt. Dies führt zu dem in 6 gezeigten Zustand.
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Das Sendeelement 76 und das Empfangselement 80 sind dabei derart entsprechend am stabförmigen Sender 72 und am stabförmigen Empfänger 74 angeordnet, dass das Lichtfeld 78 nach dem Aufstellen auf der Auflagefläche 70 zumindest teilweise in einem Bereich 82 zwischen den beiden Sensorelementen 48, 56 aufgebaut wird.
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Dann wird das Lichtfeld 78 über das Sendeelement 76 eingeschalten, wobei das der stabförmige Sender 72 selbstverständlich auch im eingeschalteten Zustand des Sendeelementes 76 in das Gehäuse 36 eingeführt und auf die Auflagefläche 70 aufgestellt werden kann. In jedem Fall gibt das Empfangselement 80 ein Testsignal 84 aus, dass vom am Empfangselement 80 empfangenen Testfeld 78 abhängig ist.
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Anschließend wird die Auswerteschaltung 37 auf die Einpresspins 60 gedrückt, so dass die beiden Sensorelemente 48, 56 aufeinander zubewegt werden und sich der Bereich 82 zwischen den beiden Sensorelementen 48 verjüngt. In der Folge taucht der Messaufnehmer 56 in das Lichtfeld 78 und schattet es gegenüber dem Empfangselement 80 ab. In der Folge reduziert sich die Menge an vom Empfangselement 80 empfangenen Lichtfeld 78, wodurch sich das Testsignal 84 verändert.
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Die Auswerteschaltung 37 wird nun solange auf die Einpresspins 60 gedrückt, bis die beiden Sensorelemente 48, 56 den Abstand 63 wie in 9 gezeigt erreichen. Das Testsignal 84 weist in diesem Zustand eine ganz charakteristische Form auf, die beispielsweise in einer vorbestimmten Bedingung 86 für das Testsignal 86 definiert werden kann. Diese vorbestimmte Bedingung 86 kann durch Gegenüberstellen des Testsignals 84 und der vorbestimmten Bedingung 86 abgefragt werden, wobei das Eindrücken beziehungsweise Einpressen der Auswerteschaltung 37 durch ein Abbruchsignal 88 beendet werden kann, sobald das Testsignal 84 die vorbestimmte Bedingung 86 erfüllt.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung wird der Abstand 63 präzise eingestellt unabhängig von zahlreichen Toleranzen der die Einstellung beeinflussenden Bauelemente. Diese Toleranzen umfassen beispielsweise geometrische Toleranzen in der Dicke des Verschaltungsträgers der Auswerteschaltung 37, geometrische Toleranzen in der Dicke des Messaufnehmers 56 auf der Auswerteschaltung 37 die Position des gegenüber dem Gebermagnetfeld 54 empfindlichen Bereichs im Messaufnehmer 56, Lagetoleranzen, die durch den Montageprozess des Messaufnehmers 56 auf der Auswerteschaltung 37 eingebracht werden, Lagetoleranzen des Gebermagneten 48 auf der Welle 59 Lagetoleranzen der Welle 59 im Gehäuse 36, Lagetoleranzen der Auswerteschaltung 37 im Gehäuse 36 und Lagetoleranzen, die durch die Montage der Auswerteschaltung 37 im Gehäuse 36 entstehen. Zumindest ein Teil dieser Toleranzen kann durch die Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021648 A1 [0002]
- DE 102005060173 A1 [0030]
- DE 10122542 B4 [0030]
