DE102016210406A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen (2, 4) eines Gelenks (1), mit einem mit einem ersten der Gelenkteile (4) verbundenen und ein örtliches Magnetfeld (19) hervorrufenden Magneten (9), mehreren mit einem zweiten der Gelenkteile (2) verbundenen und von einem resultierenden Magnetfeld durchfluteten Sensoranordnungen (11, 12), welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld (19) gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in unterschiedlichen Richtungen durchflutet sind, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) erfassbar und wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) charakterisierendes Sensorsignal (S1, S2) erzeugbar ist, und einer mit den Sensoranordnungen (11, 12) verbundenen Auswerteeinrichtung (13), mittels welcher unter Auswertung der Sensorsignale (S1, S2) wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils (4) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (2) charakterisierende Lageinformation (25) bildbar ist, wobei das resultierende Magnetfeld durch eine Überlagerung des örtlichen Magnetfelds (19) mit wenigstens einem Störmagnetfeld (21) gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet sind, mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) in unterschiedlichen Raumrichtungen (x, y, z) erfassbar ist und mittels der Auswerteeinrichtung (13) ein Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation eliminierbar oder zumindest reduzierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks, mit einem mit einem ersten der Gelenkteile verbundenen und ein örtliches Magnetfeld hervorrufenden Magneten, mehreren mit einem zweiten der Gelenkteile verbundenen und von einem resultierenden Magnetfeld durchfluteten Sensoranordnungen, welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen in unterschiedlichen Richtungen durchflutet sind, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung erfassbar und wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung charakterisierendes Sensorsignal erzeugbar ist, und einer mit den Sensoranordnungen verbundenen Auswerteeinrichtung, mittels welcher unter Auswertung der Sensorsignale wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil charakterisierende Lageinformation bildbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks.
  • Fahrwerkbauteile, insbesondere Kugelgelenke, haben unter anderem die Aufgabe, das Fahrgestell eines Fahrzeugs federnd auf dessen Fahrzeugrädern zu lagern. Die Komponenten des Fahrgestells passen sich dabei der Fahrbahnbeschaffenheit und dem jeweiligem Fahrzustand an, sodass dem Fahrzeuginsassen eine hohe Sicherheit geboten wird. Eine wichtige Rolle spielen dabei Gelenke und Lenker, welche die Aufgabe der Radaufhängung übernehmen und eine Lenkung ermöglichen.
  • Bekannt ist, mittels einer externen Höhenstandssensorik, welche den Einfederweg an der Vorderachse und der Hinterachse eines Fahrzeugs erfasst, den Zustand oder die Winkelstellung von Fahrwerkbauteilen zu erfassen. Beispielsweise kann mit einer Höhenstandserfassung eine Leuchtweitenregulierung realisiert werden. Ferner kann durch eine elektrische Auswerteeinrichtung und/oder eine Sensoreinrichtung die Winkelstellung eines Gelenks aufgenommen werden. Durch die Auswertung der dadurch gelieferten Daten kann eine Höhenstandserfassung realisiert oder mittels einer aktiven Fahrwerksregelung die Dämpfung eines Fahrzeugs den Straßenbedingungen angepasst werden. Um eine elektrische Aufnahmeeinheit in einem Fahrwerkbauteil, beispielsweise in einem Kugelgelenk, zu integrieren, bedarf es Bauraum für die zugehörigen elektrischen Komponenten und deren Kabelführung. Insbesondere misst ein Magnetfeldsensor den Winkel beispielsweise zwischen einem Kugelzapfen und einem Gehäuse eines Kugelgelenks, indem der Magnetfeldsensor, verbaut in einem Verschlussdeckel des Gehäuses, das Magnetfeld eines im Kugelzapfen befindlichen Magneten auswertet.
  • Gelenkverbindungen stehen jedoch, verbaut in einem Fahrwerk, unter dem Störeinfluss elektromagnetischer Felder. Diese entstehen durch elektrische Leitungen oder Verbraucher wie beispielsweise einem Elektromotor, die sich in der Nähe des Sensors befinden. Wird ein Magnetfeldsensor (z.B. Hall-Sensor) eingesetzt, misst dieser sowohl das Magnetfeld des sich im Fahrwerklenker (beispielsweise im Kugelgelenk oder Gummilager) befindlichen Magneten als auch das von außen anliegende Störmagnetfeld. Das Winkelsignal wird somit verfälscht.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Einfluss von magnetfelderzeugenden Störfeldquellen auf die Bildung der Lageinformation vermeiden zu können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.
  • Die Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks, weist einen oder wenigstens einen mit einem ersten Gelenkteil oder einem ersten der Gelenkteile verbundenen und ein örtliches Magnetfeld hervorrufenden Magneten, mehrere mit einem zweiten Gelenkteil oder einem zweiten der Gelenkteile verbundene und von einem resultierenden Magnetfeld durchflutete Sensoranordnungen, welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen in unterschiedlichen Richtungen durchflutet sind, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung erfassbar und ein oder wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung charakterisierendes Sensorsignal erzeugbar ist, und eine mit den Sensoranordnungen verbundene Auswerteeinrichtung auf, mittels welcher unter Auswertung der Sensorsignale eine oder wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil charakterisierende Lageinformation bildbar ist, wobei das resultierende Magnetfeld durch eine Überlagerung des örtlichen Magnetfelds mit einem oder wenigstens einem Störmagnetfeld gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet sind, mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in unterschiedlichen, insbesondere in mindestens zwei Raumrichtungen erfassbar ist und mittels der Auswerteeinrichtung, insbesondere durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, ein Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation berücksichtigbar und/oder herausrechenbar und/oder eliminierbar und/oder zumindest reduzierbar ist. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung die beiden beweglich miteinander verbundenen Gelenkteile und/oder das Gelenk.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Störmagnetfeld in der Regel von einer relativ weit entfernten Störfeldquelle hervorgerufen wird, sodass die Sensoranordnungen in oder näherungsweise in der gleichen Richtung von dem Störmagnetfeld durchflutet werden, wohingegen das örtliche Magnetfeld des relativ nahen Magneten die Sensoranordnungen in der Regel in unterschiedlichen Richtung durchflutet. Mit dieser Erkenntnis ist es möglich, durch Messung des resultierenden Magnetfelds und/oder der Richtung des resultierenden Magnetfelds in unterschiedlichen Raumrichtungen und vorzugsweise an unterschiedlichen Orten, die insbesondere in enger räumlicher Nähe zueinander liegen, bevorzugt durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, den Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation berücksichtigen und/oder herausrechnen und/oder eliminieren und/oder zumindest reduzieren zu können.
  • Da sich das örtliche Magnetfeld und das Störmagnetfeld zu dem resultierenden Magnetfeld überlagern, werden die Sensoranordnungen insbesondere stets von dem resultierenden Magnetfeld durchflutet. Die Aussage, dass die Sensoranordnungen in unterschiedlichen Richtungen von dem örtlichen Magnetfeld durchflutet sind oder werden, ist daher vorzugsweise derart zu verstehen, dass das örtliche Magnetfeld für sich, d.h. ohne Störmagnetfeld, betrachtet wird. Ferner ist die Aussage, dass die Sensoranordnungen in oder in näherungsweise der gleichen Richtung von dem Störmagnetfeld durchflutet sind oder werden, vorzugsweise derart zu verstehen, dass das Störmagnetfeld für sich, d.h. ohne örtliches Magnetfeld, betrachtet wird.
  • Die Anzahl der Sensoranordnungen beträgt vorzugsweise zwei. Bevorzugt ist mittels einer ersten der Sensoranordnungen ein oder wenigstens ein erstes der Sensorsignale erzeugbar. Vorteilhaft ist mittels einer zweiten der Sensoranordnungen ein oder wenigstens ein zweites der Sensorsignale erzeugbar. Der Magnet ist bevorzugt ein Permanentmagnet. Somit kann insbesondere eine Stromversorgung für den Magneten entfallen. Alternativ ist der Magnet z.B. als Elektromagnet ausgebildet.
  • Die Gelenkteile sind insbesondere gelenkig und/oder drehbar und/oder schwenkbar miteinander verbunden. Bevorzugt ist der Magnet fest und/oder starr mit dem ersten Gelenkteil verbunden. Vorteilhaft sind die Sensoranordnungen fest und/oder starr mit dem zweiten Gelenkteil verbunden.
  • Bevorzugt ist die Lageinformation mittels der Auswerteeinrichtung in Form eines oder wenigstens eines Lagesignals erzeugbar. Bei den Signalen, d.h. bei den Sensorsignalen und/oder bei dem Lagesignal, handelt es sich vorzugsweise um elektrische Signale. Bei den Richtungen handelt es sich vorteilhaft um räumliche Richtungen und/oder Raumrichtungen.
  • Die Lageinformation ist insbesondere eine Information über einen oder wenigstens einen Winkel, um welchen das erste Gelenkteil gegenüber dem zweiten Gelenkteil, vorzugsweise ausgehend von einer Referenzlage, die z.B. auch als Ruhelage oder Nulllage bezeichnet wird, ausgelenkt und/oder verschwenkt und/oder verdreht ist. Die Lageinformation wird somit vorzugsweise auch als Winkelinformation bezeichnet.
  • Ferner wird das Lagesignal bevorzugt als Winkelsignal bezeichnet. Die relative Lage der beiden Gelenkteile zueinander bezieht sich insbesondere auf den oder einen Winkel und wird vorzugsweise auch als Auslenkung und/oder Verschwenkung und/oder Verdrehung der beiden Gelenkteile zueinander, vorzugsweise bezüglich der oder einer Referenzlage, bezeichnet.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird oder ist das Störmagnetfeld von einer oder wenigstens einer Störfeldquelle hervorgerufen. Die Störfeldquelle ist z.B. durch einen oder mehrere elektrische Leitungen und/oder durch einen oder mehrere elektrische Verbraucher, wie z.B. einen Elektromotor, gebildet. Der Abstand der Störfeldquelle zu den Sensoranordnungen ist vorzugsweise größer oder sehr viel größer als der Abstand des Magneten zu den Sensoranordnungen. Beispielsweise beträgt der Abstand der Störfeldquelle zu den Sensoranordnungen mehrere cm, wie z.B. ca. 5cm, wohingegen der Abstand des Magneten zu den Sensoranordnungen wenige mm, wie z.B. ca. 2,5mm beträgt. Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden Abstände wenigstes um den Faktor 10. Dies führt insbesondere dazu, dass das Störmagnetfeld die Sensoranordnungen in oder in näherungsweise der gleichen Richtung durchflutet.
  • Die Sensoranordnungen sind bevorzugt nebeneinander und/oder im Abstand zueinander angeordnet. Vorteilhaft sind die Sensoranordnungen an unterschiedlichen Orten angeordnet. Dies führt insbesondere dazu, dass das örtliche Magnetfeld die Sensoranordnungen in unterschiedlichen Richtungen durchflutet. Vorteilhaft sind die Sensoranordnungen aber in enger räumlicher Nähe zueinander angeordnet. Dies trägt insbesondere dazu bei, dass das Störmagnetfeld die Sensoranordnungen in oder in näherungsweise der gleichen Richtung durchflutet. Ferner trägt dies insbesondere dazu bei, dass beide Sensoranordnungen das örtliche Magnetfeld gleich gut oder näherungsweise gleich gut erfassen können.
  • Jede der Sensoranordnungen umfasst bevorzugt mehrere, vorzugsweise zwei oder drei, magnetfeldempfindliche Sensorelemente, wie z.B. Hall-Elemente. Insbesondere sind die Sensorelemente jeder Sensoranordnung unterschiedlichen Raumrichtungen zugeordnet und/oder in unterschiedlichen Raumrichtungen orientiert. Somit lässt sich mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in mehreren Raumrichtungen bestimmen. Die Raumrichtungen sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Insbesondere sind die Raumrichtungen nicht parallel und/oder nicht komplanar.
  • Jede der Sensoranordnungen liegt z.B. in Form eines Sensormoduls vor. Jedes Sensormodul umfasst insbesondere ein Modulgehäuse, in dem die jeweilige Sensoranordnung angeordnet ist. Ferner umfasst jedes Modulgehäuse vorzugsweise elektrische Kontakte, über welche das jeweilige Sensorsignal abgreifbar ist und/oder eine Stromversorgung für die jeweilige Sensoranordnung anschließbar ist.
  • Alternativ sind die Sensoranordnungen z.B. in einem einzigen Sensormodul vereint, welches insbesondere ein Modulgehäuse umfasst, in dem die Sensoranordnungen angeordnet sind. Ferner umfasst das Modulgehäuse vorzugsweise elektrische Kontakte, über welche die Sensorsignale abgreifbar sind und/oder eine Stromversorgung für die Sensoranordnungen anschließbar ist. Hierdurch können die Sensoranordnungen noch näher zueinander angeordnet werden. Insbesondere kann der Einfluss des Störmagnetfelds weiter reduziert werden. Ferner kann eine ggf. erforderliche Synchronisation der Sensoranordnungen entfallen.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfassen die oder jede der Sensoranordnungen und/oder umfasst das oder jedes Sensormodul eine oder wenigstens eine Temperaturkompensationseinheit und/oder einen oder wenigstens einen Analog-Digital-Wandler und/oder eine oder mehrere andere elektrische Komponenten. Hierdurch ist eine Signalaufbereitung bereits in den oder jeder der Sensoranordnungen und/oder in dem oder jedem Sensormodul möglich.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in mindestens zwei, vorzugsweise in drei unterschiedlichen Richtungen oder Raumrichtungen erfassbar, die insbesondere nicht in derselben Ebene liegen. Solche Sensoranordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden z.B. als 3D-Magnetsenoren bezeichnet. Beispielsweise bildet der von der Infineon Technologies AG angebotene Sensor-Baustein mit der Bezeichnung TLV493D-A1B6 einen solchen 3D-Magnetsenor. Die drei unterschiedlichen Richtungen oder Raumrichtungen verlaufen insbesondere senkrecht zueinander.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Auswerteeinrichtung eine Korrektureinheit. Insbesondere ist mittels der Korrektureinheit, vorzugsweise durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, der Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation berücksichtigbar und/oder herausrechenbar und/oder eliminierbar und/oder zumindest reduzierbar. Die Korrektureinheit umfasst bevorzugt einen Digitalrechner oder Mikrocontroller oder ist durch diesen gebildet. Ferner umfasst die Korrektureinheit vorzugsweise eine Speichereinheit. Alternativ umfasst die Korrektureinheit z.B. einen Analogrechner oder ist durch diesen gebildet.
  • Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Auswerteeinrichtung und/oder die Korrektureinheit eine Recheneinheit und/oder die oder eine Speichereinheit. Insbesondere sind mittels der Auswerteeinrichtung und/oder der Recheneinheit die Sensorsignale auswertbar und/oder die Lageinformation bildbar. Bevorzugt ist mittels der Recheneinheit, insbesondere durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, der Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation berücksichtigbar und/oder herausrechenbar und/oder eliminierbar und/oder zumindest reduzierbar. Die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinheit umfasst bevorzugt den oder einen Digitalrechner oder Mikrocontroller oder ist durch diesen gebildet. Alternativ umfasst die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinheit z.B. den oder einen Analogrechner oder ist durch diesen gebildet. Beispielsweise umfasst die Korrektureinheit die Recheneinheit und/oder die Korrektureinheit ist z.B. durch die Recheneinheit gebildet.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist, insbesondere in der Auswerteinrichtung und/oder in der Speichereinheit, ein Kennfeld hinterlegt. Bevorzugt sind in dem Kennfeld Werte, welche die Sensorsignale an vorgegebenen Lagen des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil, vorzugsweise ohne Störmagnetfeld, charakterisieren, Werten zugeordnet, welche diese Lagen charakterisieren. Das Kennfeld umfasst bevorzugt mehrere Kennfeld-Lagevektoren, welche unterschiedliche vorgegebene Lagen des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil charakterisieren. Diese vorgegebenen Lagen werden insbesondere auch als Kennfeld-Lagen bezeichnet. Bevorzugt weisen die Kennfeld-Lagevektoren, insbesondere in Abhängigkeit von den Freiheitsgraden des Gelenks und/oder in Abhängigkeit von und/oder in Übereinstimmung mit den zur Beschreibung der Lagen oder Kennfeld-Lagen zu berücksichtigenden Raumrichtungen, einen, wenigstens einen oder mehrere Kennfeld-Lagewerte als Komponenten auf. Weisen die Kennfeld-Lagevektoren jeweils nur einen einzigen Kennfeld-Lagewert als Komponente auf, werden die Kennfeld-Lagevektoren vorzugsweise durch die Kennfeld-Lagewerte ersetzt. In diesem Fall vereinfacht sich der Aufbau des Kennfelds. Bevorzugt umfasst das Kennfeld mehrere Kennfeld-Sensorsignalvektoren, welche die Sensorsignale bei den unterschiedlichen Kennfeld-Lagen charakterisieren. Die Kennfeld-Sensorsignalvektoren weisen, insbesondere in Abhängigkeit von und/oder in Übereinstimmung mit den mittels der Sensoranordnungen zu berücksichtigenden Raumrichtungen, zwei, wenigstens zwei, drei oder mehrere Kennfeld-Sensorsignalwerte als Komponenten auf. Vorzugsweise sind die Kennfeld-Sensorsignalvektoren den Sensoranordnungen zugeordnet. Insbesondere ist jeder Kennfeld-Sensorsignalvektor einer oder genau einer der Sensoranordnungen zugeordnet. Bevorzugt sind im Kennfeld die Kennfeld-Sensorsignalvektoren den Kennfeld-Lagevektoren oder Kennfeld-Lagewerten zugeordnet. Insbesondere ist im Kennfeld jeder Kennfeld-Sensorsignalvektor einem oder genau einem Kennfeld-Lagevektor oder Kennfeld-Lagewert zugeordnet. Vorteilhaft sind im Kennfeld jedem Kennfeld-Lagevektor oder Kennfeld-Lagewert zwei, wenigstens zwei, drei oder mehrere der Kennfeld-Sensorsignalvektoren zugeordnet.
  • Diejenigen Kennfeld-Sensorsignalvektoren, die derselben Kennfeld-Lage zugeordnet sind, werden insbesondere zu einem Kennfeld-Sensorsignalvektor-Tupel zusammengefasst. Dabei entspricht die Anzahl der Kennfeld-Sensorsignalvektoren, die derselben Kennfeld-Lage zugeordnet sind, insbesondere der Anzahl der Sensoranordnungen, deren bevorzugte Anzahl gleich zwei ist. Bevorzugt sind somit je Kennfeld-Lage genau zwei Kennfeld-Sensorsignalvektoren vorhanden, sodass das Kennfeld-Sensorsignalvektor-Tupel ein Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar bildet. Bevorzugt sind die Kennfeld-Sensorsignalvektoren der Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paare oder -Tupel den Sensoranordnungen zugeordnet. Insbesondere ist jeder Kennfeld-Sensorsignalvektor jedes Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paars oder -Tupels einer oder genau einer der Sensoranordnungen zugeordnet. Vorteilhaft sind die Kennfeld-Sensorsignalvektoren jedes Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paars oder -Tupels unterschiedlichen der Sensoranordnungen zugeordnet. Bevorzugt sind die Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paare oder -Tupel den Kennfeld-Lagen zugeordnet. Insbesondere ist jedes Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar oder -Tupel einer oder genau einer Kennfeld-Lage zugeordnet. Vorteilhaft ist jeder Kennfeld-Lage ein oder genau ein Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar oder -Tupel zugeordnet.
  • Das Kennfeld wird oder ist insbesondere durch Messung und/oder Erfassung des örtlichen Magnetfelds mittels der Sensoranordnungen bei jeder der unterschiedlichen Kennfeld-Lagen erfasst. Das Kennfeld ist vorzugsweise vorbestimmt und/oder wird vorzugsweise vorab ermittelt. Bevorzugt wird oder ist das Kennfeld ausschließlich auf Basis des örtlichen Magnetfels und/oder ohne Einfluss des oder eines Störmagnetfelds erfasst und/oder gebildet. Das Kennfeld ist somit vorzugsweise störmagnetfeldfrei. Das Erdmagnetfeld wird insbesondere nicht als Störmagnetfeld betrachtet und kann somit dem örtlichen Magnetfeld überlagert sein, da das Erdmagnetfeld vorzugsweise deutlich schwächer als das örtliche Magnetfeld ist und die Messung somit lediglich geringfügig, d.h. innerhalb tolerabler Grenzen, beeinflusst.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist mittels der Auswerteeinrichtung und/oder der Recheneinheit, insbesondere durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, der Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation durch oder unter Bezugnahme und/oder Zugriff auf das Kennfeld und/oder durch oder unter Berücksichtigung des Kennfelds berücksichtigbar und/oder herausrechenbar und/oder eliminierbar und/oder zumindest reduzierbar.
  • Die mittels der Sensoranordnungen bei Anwesenheit des oder eines Störmagnetfelds erzeugten Sensorsignale werden insbesondere als Ist-Sensorsignale bezeichnet und umfassen bevorzugt jeweils mehrere Ist-Sensorwerte. Vorteilhaft sind jedem der Ist-Sensorsignale mehrere der Ist-Sensorwerte zugeordnet, insbesondere in Abhängigkeit von und/oder in Übereinstimmung mit den mittels der Sensoranordnungen zu berücksichtigenden Raumrichtungen. Diejenigen Ist-Sensorwerte, die einem oder genau einem Ist-Sensorsignal zugeordnet sind, bilden insbesondere einen Ist-Sensorsignalvektor. Bei jeder Erfassung des resultierenden Magnetfelds mittels der Sensoranordnungen werden oder sind somit mehrere Ist-Sensorsignalvektoren gebildet oder bildbar, deren Anzahl insbesondere der Anzahl der Sensoranordnungen entspricht. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die Anzahl der Sensoranordnungen gleich zwei ist. Bei jeder Erfassung des resultierenden Magnetfelds mittels der Sensoranordnungen werden oder sind somit vorzugsweise zwei Ist-Sensorsignalvektoren gebildet oder bildbar, die insbesondere zu einem Ist-Sensorsignalvektor-Paar zusammengefasst werden oder sind.
  • Bevorzugt wird durch Differenzbildung der Ist-Sensorsignalvektoren eines oder jedes Ist-Sensorsignalvektor-Paars ein oder jeweils ein Ist-Sensorsignal-Differenzvektor gebildet. Unter der Voraussetzung, dass die Sensoranordnungen von dem Störmagnetfeld in der gleichen Richtung durchflutet sind oder werden, verschwindet bei dieser Differenzbildung insbesondere der Anteil des Störmagnetfelds. Der oder jeder Ist-Sensorsignal-Differenzvektor ist somit vorzugsweise frei vom Einfluss des Störmagnetfelds.
  • Bevorzugt wird oder ist durch Differenzbildung der Kennfeld-Sensorsignalvektoren eines oder jedes Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paars ein oder jeweils ein Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor gebildet. Die Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektoren können bereits in dem Kennfeld hinterlegt sein oder erst im laufenden Betrieb und/oder während des Herausrechnens gebildet werden.
  • Vorzugsweise wird, insbesondere mittels eines mathematischen Verfahrens, ein passender Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor gesucht, der mit dem Ist-Sensorsignal-Differenzvektor übereinstimmt oder diesem nahe oder am nächsten liegt. Zusätzlich können Plausibilitätsprüfungen erfolgen. Ist dieser passende Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor gefunden, so bildet derjenige Kennfeld-Lagevektor oder Kennfeld-Lagewert, der im Kennfeld dem Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar zugeordnet ist, aus dessen Kennfeld-Sensorsignalvektoren der passende Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor gebildet wurde, insbesondere eine Information über die aktuelle Lage des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil und somit die oder eine Lageinformation. Ergänzend kann die Lageinformation in Abhängigkeit von der Abweichung des Ist-Sensorsignal-Differenzvektors zu dem passenden Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor korrigiert werden. Somit ist ein Berücksichtigen und/oder Herausrechnen und/oder Eliminieren und/oder Reduzieren des Einflusses des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation möglich.
  • Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise außerhalb des Gelenks und/oder im Abstand zu dem Gelenk vorgesehen. Alternativ ist die Auswerteeinrichtung z.B. an oder in dem Gelenk vorgesehen und/oder in das Gelenk integriert.
  • Das Gelenk ist oder bildet vorzugsweise ein Kugelgelenk, ein Kugelhülsengelenk oder ein Elastomer- oder Gummilager. Das Gelenk ist bevorzugt für ein Fahrzeug vorgesehen und/oder in einem Fahrzeug eingebaut. Insbesondere ist das Gelenk für ein Fahrwerk und/oder eine Radaufhängung des Fahrzeugs vorgesehen und/oder in ein Fahrwerk und/oder eine Radaufhängung des Fahrzeugs eingebaut. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Landfahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
  • Gemäß einer Weiterbildung bildet das erste Gelenkteil einen eine Gelenkkugel aufweisenden Kugelzapfen, an oder in dessen Gelenkkugel der Magnet angeordnet ist. Ferner bildet das zweite Gelenkteil bevorzugt ein Gelenkgehäuse, wobei der Kugelzapfen mit seiner Gelenkkugel bewegbar, vorzugsweise drehbar und/oder schwenkbar, in dem Gelenkgehäuse gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung hindurch aus dem Gelenkgehäuse heraus erstreckt. Das Gelenk bildet somit insbesondere ein Kugelgelenk. Beispielsweise sind die Sensoranordnungen an einem Gehäusedeckel des Gelenkgehäuses angeordnet, der insbesondere eine der Zapfenöffnung gegenüberliegende Montageöffnung des Gelenkgehäuses verschließt.
  • Gemäß einer alternativen Weiterbildung bildet das erste Gelenkteil eine Kugelhülse mit einer kugelartigen Lagerfläche, wobei der Magnet an oder in der Kugelhülse angeordnet ist, und wobei das zweite Gelenkteil ein Gelenkgehäuse bildet, in welchem die Kugelhülse mit ihrer kugelartigen Lagerfläche bewegbar gelagert ist und sich durch wenigstens eine in diesem vorgesehene Öffnung hindurch aus dem Gelenkgehäuse heraus erstreckt. Das Gelenk bildet somit insbesondere ein sogenanntes Kugelhülsengelenk.
  • Gemäß einer weiteren Alternative bildet eines der Gelenkteile ein Innenteil und das andere der Gelenkteile eine das Innenteil umringende Außenhülse, wobei zwischen dem Innenteil und der Außenhülse ein Elastomerkörper angeordnet ist, der das Innenteil, insbesondere zumindest teilweise, umringt. Das Innenteil bildet z.B. eine Hülse oder Innenhülse. Bevorzugt ist das Innenteil durch oder über den Elastomerkörper mit der Außenhülse verbunden. Das Innenteil und die Außenhülse erstrecken sich vorzugsweise in einer axialen Richtung. Bevorzugt ist die Außenhülse relativ zu dem Innenteil um eine in axialer Richtung verlaufende Drehachse, insbesondere unter elastischer Verformung des Elastomerkörpers, drehbar. Gemäß der Alternative bildet das Gelenk vorzugsweise ein Elastomerlager oder Gummilager.
  • Bevorzugt ist das erste Gelenkteil mit einem oder einem ersten Maschinenteil verbunden. Dieses Maschinenteil ist insbesondere ein Fahrzeugbauteil, beispielsweise ein Fahrzeugaufbau, ein Hilfsrahmen, ein Fahrschemel oder ein Fahrwerkbauteil, wie z.B. ein Fahrwerklenker, eine Spurstange, ein Wankstabilisator oder ein Radträger. Der Fahrwerklenker ist beispielsweise ein Längslenker oder ein Querlenker.
  • Bevorzugt ist das zweite Gelenkteil mit einem, einem anderen oder einem zweiten Maschinenteil verbunden. Dieses Maschinenteil ist insbesondere ein Fahrzeugbauteil, beispielsweise ein Fahrzeugaufbau, ein Hilfsrahmen, ein Fahrschemel oder ein Fahrwerkbauteil, wie z.B. ein Fahrwerklenker, eine Spurstange, ein Wankstabilisator oder ein Radträger. Der Fahrwerklenker ist beispielsweise ein Längslenker oder ein Querlenker.
  • Das erste Gelenkteil besteht bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, Magnesium oder einem Eisenwerkstoff, wie z.B. Stahl. Das zweite Gelenkteil besteht bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, Magnesium oder einem Eisenwerkstoff, wie z.B. Stahl.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks, wobei mit einem ersten Gelenkteil oder einem ersten der Gelenkteile ein oder wenigstens ein Magnet verbunden ist, der ein örtliches Magnetfeld hervorruft, mit einem zweiten Gelenkteil oder einem zweiten der Gelenkteile mehrere von einem resultierenden Magnetfeld durchflutete Sensoranordnungen verbunden sind, welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld gebildet wird, von welchem die Sensoranordnungen in unterschiedlichen Richtungen durchflutet werden, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung erfasst und wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung charakterisierendes Sensorsignal erzeugt wird, unter Auswertung der Sensorsignale eine oder wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil charakterisierende Lageinformation gebildet wird, das resultierende Magnetfeld durch eine Überlagerung des örtlichen Magnetfelds mit einem oder wenigstens einem Störmagnetfeld gebildet wird, von welchem die Sensoranordnungen in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet werden, mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in unterschiedlichen Raumrichtungen erfasst wird und, insbesondere durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, ein Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation berücksichtigt und/oder herausgerechnet und/oder eliminiert und/oder zumindest reduziert wird.
  • Das Verfahren kann gemäß allen im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein. Ferner kann die Vorrichtung gemäß allen im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein.
  • Das Verfahren wird bevorzugt mittels der Vorrichtung durchgeführt. Insbesondere wird die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verwendet.
  • Die Anzahl der Sensoranordnungen beträgt vorzugsweise zwei. Bevorzugt wird mittels einer ersten der Sensoranordnungen ein oder wenigstens ein erstes der Sensorsignale erzeugt. Vorteilhaft wird mittels einer zweiten der Sensoranordnungen ein oder wenigstens ein zweites der Sensorsignale erzeugt. Vorzugsweise wird die Lageinformation, insbesondere mittels der oder einer Auswerteeinrichtung, in Form eines oder wenigstens eines Lagesignals erzeugt.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird das Störmagnetfeld von der oder einer oder wenigstens einer Störfeldquelle hervorgerufen. Der Abstand der Störfeldquelle zu den Sensoranordnungen ist vorzugsweise größer oder sehr viel größer als der Abstand des Magneten zu den Sensoranordnungen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird mittels jeder der Sensoranordnungen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in mindestens zwei, vorzugsweise in drei unterschiedlichen Richtungen oder Raumrichtungen erfasst, die insbesondere nicht in derselben Ebene liegen. Die drei unterschiedlichen Richtungen oder Raumrichtungen verlaufen insbesondere senkrecht zueinander.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist oder wird das oder ein Kennfeld hinterlegt. Bevorzugt wird, insbesondere mittels der Auswerteeinrichtung, vorzugsweise durch oder unter Differenzbildung der Sensorsignale oder diese charakterisierender Werte, der Einfluss des Störmagnetfelds auf die Sensoranordnungen und/oder auf die Sensorsignale bei der Bildung der Lageinformation durch oder unter Bezugnahme und/oder Zugriff auf das Kennfeld und/oder durch oder unter Berücksichtigung des Kennfelds, berücksichtigt und/oder herausgerechnet und/oder eliminiert und/oder zumindest reduziert.
  • Gemäß einer Ausgestaltung werden zwei nah nebeneinander angeordnete Sensoranordnungen zur Messung eingesetzt. Diese werden insbesondere von dem örtlichen Magnetfeld des am ersten Gelenkteil (z.B. Kugelzapfen) vorgesehenen Magneten und von dem von außen anstehenden Störmagnetfeld durchflutet. Die Störfeldquelle des Störmagnetfelds besitzt vorzugsweise eine deutlich größere Entfernung zu den Sensoranordnungen als der am ersten Gelenkteil (Bezugsobjekt) befindliche Magnet. Die Sensoranordnungen sind bevorzugt als 3D-Magnetsensoren ausgebildet, sodass mittels jeder der Sensoranordnungen die Magnetfeldrichtung des resultierenden Magnetfelds am Ort der jeweiligen Sensoranordnung insbesondere in x-, y-und z-Richtung eines vorzugsweise kartesischen Koordinatensystems bestimmt werden kann. Alternativ ist eine Bestimmung von zwei Raumrichtungen ausreichend, wenn in X-Y-Richtung oder in Y-Z-Richtung gemessen werden kann. Durch die größere Entfernung des Störmagnetfelds zu den Sensoranordnungen werden diese vom Störmagnetfeld insbesondere in der nahezu identischen Richtung durchflutet. Anders durchfluten die Magnetfeldlinien des örtlichen Magnetfels die Sensoranordnungen vorzugsweise mit einem unterschiedlichen Winkel. Insbesondere werden mathematische Berechnungen eingesetzt, um den Einfluss des Störmagnetfelds auf die Magnetfeldsensoren herauszurechnen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine schematische und teilweise geschnittene Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines aus 1 ersichtlichen Kugelgelenks,
  • 3 eine perspektivische Explosivdarstellung des Kugelgelenks,
  • 4 eine schematische Darstellung eines aus 1 ersichtlichen und im Kugelgelenk angeordneten Magneten,
  • 5 eine schematische Darstellung von aus 1 ersichtlichen Sensoranordnungen, zusammen mit dem Magneten und einer Störfeldquelle,
  • 6 eine schematische Darstellung der Sensoranordnungen mit der Störfeldquelle,
  • 7 eine schematische Draufsicht auf ein die Sensoranordnungen umfassendes Sensormodul und
  • 8 eine schematische Darstellung eines Kennfelds.
  • Aus 1 ist eine schematische und teilweise geschnittene Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform ersichtlich, wobei ein Kugelgelenk 1 ein Gelenkgehäuse 2 und einen eine Gelenkkugel 3 umfassenden Kugelzapfen 4 aufweist, der ein erstes Gelenkteil bildet und mit seiner Gelenkkugel 3 unter Zwischenschaltung einer Lagerschale 5 drehbar und schwenkbar in dem Gelenkgehäuse 2 gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung 6 hindurch aus dem Gelenkgehäuse 2 heraus erstreckt, welches ein zweites Gelenkteil bildet. Der Zapfenöffnung 6 gegenüberliegend ist das Gelenkgehäuse 2 mit einer Montageöffnung 7 versehen, die durch einen Gehäusedeckel (Verschlussdeckel) 8 verschlossen ist. In einem dem Gehäusedeckel 8 zugewandten Endbereich des Kugelzapfens 4 sitzt in der Gelenkkugel ein Magnet 9, der gemäß der Ausführungsform als Permanentmagnet ausgebildet ist. Ferner ist an dem Gehäusedeckel 8 eine Sensoreinrichtung 10 vorgesehen, die zwei Sensoranordnungen 11 und 12 umfasst, die dem Magneten 9 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Sensoreinrichtung 10 und/oder die Sensoranordnungen 11 und 12 sind elektrisch mit einer Auswerteinrichtung 13 verbunden, die einen Digitalrechner oder Mikrocontroller 14 sowie eine Speichereinheit 26 aufweist. Gemäß 1 ist die Auswerteinrichtung 13 außerhalb des Gelenks 1 vorgesehen. Alternativ ist die Auswerteinrichtung 13 z.B. in oder an dem Gelenk 1 angeordnet und/oder in dieses integriert.
  • Der Kugelzapfen 4 kann um seinen Mittelpunkt 15 relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 geschwenkt werden, was durch den Doppelpfeil 16 angedeutet ist. Dem Gelenkgehäuse 2 ist eine Gehäuselängsachse 17 zugeordnet, die insbesondere durch den Mittelpunkt 15 der Gelenkkugel 3 verläuft. Ferner ist dem Kugelzapfen 4 eine Zapfenlängsachse 18 zugeordnet, die insbesondere durch den Mittelpunkt 15 der Gelenkkugel 3 verläuft. In der in 1 gezeigten Lage des Kugelzapfens 4 fallen die beiden Längsachsen 17 und 18 zusammen, sodass sich der Kugelzapfen 4 in einer Referenzlage oder Nulllage befindet. Wird der Kugelzapfen 4 ausgehend von der Referenzlage relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 geschwenkt, so fällt seine verschwenkte Längsachse 18' jedoch nicht mehr mit der Längsachse 17 des Gelenkgehäuses 2 zusammen, sondern schließt mit dieser einen Winkel α ein, was in 1 schematisch angedeutet ist. Der Winkel α kann bestimmt werden, indem ein von dem Magneten 9 hervorgerufenes örtliches Magnetfeld 19 (siehe 4 und 5), welches die Sensoranordnungen 11 und 12 durchflutet, mittels der Sensoranordnungen 11 und 12 erfasst und von diesen erzeugte Sensorsignale S1 und S2 mittels der Auswerteeinrichtung 13 ausgewertet werden. Dabei erzeugt die Sensoranordnung 11 (erste Sensoranordnung) das Sensorsignal S1 (erstes Sensorsignal) und die Sensoranordnung 12 (zweite Sensoranordnung) das Sensorsignal S2 (zweites Sensorsignal). Die von der Auswerteeinrichtung 13 gebildete Information über den Winkel α kann auch als Lageinformation 25 bezeichnet werden, die in 1 lediglich schematisch angedeutet ist und von der Auswerteeinrichtung 13 in Form eines Lagesignals S3 erzeugt wird, welches von der Auswerteeinrichtung 13 abgebbar ist.
  • In der Nähe des Kugelgelenks 1 befindet sich eine Störfeldquelle 20, die ein Störmagnetfeld 21 (siehe 5 und 6) hervorruft, welches die Sensoranordnungen 11 und 12 ebenfalls durchflutet. Das Störmagnetfeld 21 und das örtliche Magnetfeld 19 überlagern sich somit am Ort der Sensoranordnungen 11 und 12 zu einem resultierenden Magnetfeld, was zu einer Verfälschung des Lagesignals S3 führen kann. Um den Einfluss des Störmagnetfelds 21 auf die Bestimmung des Lagesignals S3 zu eliminieren oder zu reduzieren, wird sich zunutze gemacht, dass das Störmagnetfeld 21 die Sensoranordnungen 11 und 12 in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet, was aus 6 ersichtlich ist, wohingegen das örtliche Magnetfeld 19 die Sensoranordnungen 11 und 12 in unterschiedlichen Richtungen durchflutet, was aus 5 ersichtlich ist. Die Sensoranordnungen 11 und 12 sind jeweils als 3D-Magnetsensoren ausgebildet, mittels welchen das resultierende Magnetfeld und/oder dessen Richtung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in drei unterschiedlichen Raumrichtungen x, y und z erfassbar ist, die nicht in derselben Ebene liegen. Zwar ist in 1 ein Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y und z gezeigt, bevorzugt ist jeder der Sensoranordnungen 11 und 12 aber ein eigenes Koordinatensystem zugeordnet, dessen Ursprung am Ort der jeweiligen Sensoranordnung liegt. Das Sensorsignal S1 weist somit drei Signalkomponenten auf, die in Anlehnung an die Raumrichtungen mit S1x, S1y und S1z bezeichnet werden. Ferner weist das zweite Sensorsignal S2 drei Signalkomponenten auf, die in Anlehnung an die Raumrichtungen mit S2x, S2y und S2z bezeichnet werden. Die Signalkomponenten sind in 1 lediglich schematisch angedeutet. Unter der Voraussetzung, dass das Störmagnetfeld 21 die beiden Sensoranordnungen 11 und 12 in der gleichen Richtung durchflutet, kann mittels der Auswerteeinrichtung 13 der Einfluss des Störmagnetfelds 21 auf die Sensorsignale S1 und S2 bei der Bildung der Lageinformation 25 und/oder des Lagesignals S3 herausgerechnet werden, was nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 erläutert wird.
  • Ergänzend ist das Kugelgelenk 1 aus 2 in perspektivischer Ansicht und aus 3 in perspektivischer Explosivdarstellung ersichtlich.
  • Ferner zeigt 4 in schematischer Einzeldarstellung den Magneten 9 sowie das von diesem hervorgerufene Magnetfeld 19.
  • 5 zeigt schematisch die Sensoranordnungen 11 und 12, den Magneten 9, das von diesem hervorgerufene Magnetfeld 19, die Störfeldquelle 20 sowie das von dieser hervorgerufene Störmagnetfeld 21.
  • 6 zeigt schematisch die Sensoranordnungen 11 und 12, die Störfeldquelle 20 sowie ein Teil des dieser hervorgerufenen Störmagnetfelds 21.
  • Aus 7 ist ein Sensormodul 22 ersichtlich, welches ein Modulgehäuse 23 umfasst, in dem die Sensoranordnungen 11 und 12 angeordnet sind. An dem Modulgehäuse 23 sind elektrische Kontakte 24 vorgesehen, über welche die Sensorsignale S1 und S2 abgreifbar sind und eine Stromversorgung anschließbar ist. Alternativ können die Sensoranordnungen 11 und 12 jeweils in einem separaten Sensormodul vorgesehen sein. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst insbesondere das Sensormodul 22 oder die separaten Sensormodule.
  • Aus 8 ist in schematischer Darstellung ein Kennfeld 27 ersichtlich, welches in der Speichereinheit 26 hinterlegt ist. Das Kennfeld 27 umfasst mehrere Kennfeld-Lagevektoren Lki (Lk1, Lk2, Lk3, ... Lkn), welche unterschiedliche vorgegebene Lagen des Kugelzapfens 4 relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 charakterisieren. Diese vorgegebenen Lagen werden auch als Kennfeld-Lagen bezeichnet. Die Anzahl der unterschiedlichen Kennfeld-Lagen wird mit n angegeben, wobei n eine natürliche Zahl ist. Der Index i dient zu Kennzeichnung der jeweiligen Kennfeld-Lage läuft von eins bis n in Schritten von eins. Jeder Kennfeld-Lagevektor Lki umfasst dabei bevorzugt zwei Kennfeld-Lagewerte als Komponenten. Insbesondere reichen zwei Kennfeld-Lagewerte je Kennfeld-Lagevektor Lki in diesem Fall aus, da die Lage des Kugelzapfens 4 relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 in einem Kugelkoordinatensystem durch zwei Winkeln beschrieben werden kann, wenn der Mittelpunkt 15 der Gelenkkugel 3 relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 als ortsfest angesehen wird. Die Komponenten der Kennfeld-Lagevektor Lki umfassen somit bevorzugt zwei Winkel, von denen einer z.B. der in 1 gezeigte Winkel α sein kann. Alternativ ist es insbesondere möglich, dass die Kennfeld-Lagevektoren Lki jeweils drei Kennfeld-Lagewerte als Komponenten oder nur einen Kennfeld-Lagewert als Komponente umfassen.
  • Ferner umfasst das Kennfeld 27 mehrere Kennfeld-Sensorsignalvektoren S1ki und S2ki (S1k1, S2k1, S1k2, S2k2, S1k3, S2k3, ... S1kn, S2kn), welche die Sensorsignale S1 und S2 bei den unterschiedlichen Kennfeld-Lagen i charakterisieren. Dabei charakterisieren die Kennfeld-Sensorsignalvektoren S1ki das Sensorsignal S1 und die Kennfeld-Sensorsignalvektoren S2ki das Sensorsignal S2. Jeder Kennfeld-Sensorsignalvektor umfasst insbesondere drei Kennfeld-Sensorsignalwerte als Komponenten, und zwar einen Kennfeld-Sensorsignalwert je Raumrichtung x, y, z. Diejenigen Kennfeld-Sensorsignalvektoren S1ki, S2ki, die derselben Kennfeld-Lage i zugeordnet sind, werden zu einem Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar Pki (S1ki, S2ki) zusammengefasst. Dabei ist jedem Kennfeld-Lagevektor Lki genau ein Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar Pki zugeordnet. Das Kennfeld 27 wurde durch vorherige Messung des örtlichen Magnetfelds 19 mittels der Sensoranordnungen 11 und 12 bei den unterschiedlichen Kennfeld-Lagen i erfasst, und zwar ohne den Einfluss des Störmagnetfelds 21.
  • Die bei Vorhandensein des Störmagnetfelds 21 gemessenen Sensorsignale S1 und S2, welche jeweils drei Signalkomponenten S1x, S1y, S1z bzw. S2x, S2y, S2z umfassen, bilden Ist-Sensorsignalvektoren. Unter der Voraussetzung, dass beide Sensoranordnungen 11 und 12 von dem Störmagnetfeld 21 in der gleichen Richtung durchflutet werden, verschwindet bei einer Differenzbildung der zum selben Zeitpunkt und/oder bei derselben Lage gemessenen Ist-Sensorsignalvektoren S1 und S2 der Anteil des Störmagnetfelds 21. Der durch die Differenzbildung gebildete Ist-Sensorsignal-Differenzvektor S1–S2 ist somit frei vom Einfluss des Störmagnetfelds.
  • Ferner werden durch Differenzbildung der Kennfeld- Sensorsignalvektoren S1ki, S2ki jedes Kennfeld- Sensorsignalvektor-Paars Pki Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektoren S1ki–S2ki gebildet. Nun wird mittels eines mathematischen Verfahrens, ein passender Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor S1kj–S2kj unter den Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektoren S1ki–S2ki gesucht, der mit dem Ist-Sensorsignal-Differenzvektor S1–S2 übereinstimmt oder diesem nahe oder am nächsten liegt. Der Index j kennzeichnet dabei diejenige Kennfeld-Lage i, welcher das Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar zugeordnet ist, aus dessen Kennfeld-Sensorsignalvektoren der passende Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor gebildet wurde. Ist der passender Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor S1kj–S2kj gefunden, so bildet der Kennfeld-Lagevektor Lkj, der im Kennfeld 27 dem Kennfeld- Sensorsignalvektor-Paar Pkj zugeordnet ist, aus dessen Kennfeld-Sensorsignalvektoren S1kj, S2kj der passende Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor S1kj–S2kj gebildet wurde, eine Information über die aktuelle Lage des Kugelzapfens 4 relativ zu dem Gelenkgehäuse 2 und somit die Lageinformation 25. Diese Lageinformation 25 ist insbesondere nicht durch das Störmagnetfeld 21 beeinflusst oder verfälscht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kugelgelenk
    2
    Gelenkgehäuse/zweites Gelenkteil
    3
    Gelenkkugel
    4
    Kugelzapfen/erstes Gelenkteil
    5
    Lagerschale
    6
    Zapfenöffnung
    7
    Montagöffnung
    8
    Gehäusedeckel
    9
    Magnet
    10
    Sensoreinrichtung
    11
    Sensoranordnung
    12
    Sensoranordnung
    13
    Auswerteeinrichtung
    14
    Digitalrechner/Mikrocontroller
    15
    Mittelpunkt der Gelenkkugel
    16
    Schwenkrichtung des Kugelzapfens
    17
    Längsachse des Gelenkgehäuses
    18
    Längsachse des Kugelzapfens (in Referenzlage)
    18'
    Längsachse des Kugelzapfens im verschwenkten Zustand
    19
    Magnetfeld des Magneten/örtliches Magnetfeld
    20
    Störfeldquelle
    21
    Störmagnetfeld
    22
    Sensormodul
    23
    Modulgehäuse
    24
    Kontakt des Sensormoduls
    25
    Lageinformation
    26
    Speichereinheit
    27
    Kennfeld
    α
    Schwenkwinkel
    S1
    Sensorsignal
    S2
    Sensorsignal
    S3
    Lagesignal
    x
    Raumrichtung
    y
    Raumrichtung
    z
    Raumrichtung
    S1x
    Signalkomponente des Sensorsignals
    S1y
    Signalkomponente des Sensorsignals
    S1z
    Signalkomponente des Sensorsignals
    S2x
    Signalkomponente des Sensorsignals
    S2y
    Signalkomponente des Sensorsignals
    S2z
    Signalkomponente des Sensorsignals
    Lki
    Kennfeld-Lagevektor
    S1ki
    Kennfeld-Sensorsignalvektor
    S2ki
    Kennfeld-Sensorsignalvektor
    Pki
    Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar
    n
    Anzahl der Kennfeld-Lagen
    i
    Index zur Kennzeichnung einer Kennfeld-Lage
    j
    Index zur Kennzeichnung der passenden Kennfeld-Lage

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen (2, 4) eines Gelenks (1), mit – einem mit einem ersten der Gelenkteile (4) verbundenen und ein örtliches Magnetfeld (19) hervorrufenden Magneten (9), – mehreren mit einem zweiten der Gelenkteile (2) verbundenen und von einem resultierenden Magnetfeld durchfluteten Sensoranordnungen (11, 12), welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld (19) gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in unterschiedlichen Richtungen durchflutet sind, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) erfassbar und wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) charakterisierendes Sensorsignal (S1, S2) erzeugbar ist, – einer mit den Sensoranordnungen (11, 12) verbundenen Auswerteeinrichtung (13), mittels welcher unter Auswertung der Sensorsignale (S1, S2) wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils (4) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (2) charakterisierende Lageinformation (25) bildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das resultierende Magnetfeld durch eine Überlagerung des örtlichen Magnetfelds (19) mit wenigstens einem Störmagnetfeld (21) gebildet ist, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet sind, – mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) in unterschiedlichen Raumrichtungen (x, y, z) erfassbar ist, – mittels der Auswerteeinrichtung (13) ein Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation eliminierbar oder zumindest reduzierbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Störmagnetfeld (21) von wenigstens einer Störfeldquelle (20) hervorgerufen ist, deren Abstand zu den Sensoranordnungen (11, 12) größer oder sehr viel größer als der Abstand des Magneten (9) zu den Sensoranordnungen (11, 12) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (13) unter Differenzbildung der Sensorsignale (S1, S2) oder diese charakterisierender Werte der Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation (25) eliminierbar oder zumindest reduzierbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung in mindestens zwei, vorzugsweis in drei unterschiedlichen Raumrichtungen (x, y z) erfassbar ist, die nicht in derselben Ebene liegen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13) eine Speichereinheit (26) umfasst, in der ein Kennfeld (27) hinterlegt ist, in dem Werte, welche die Sensorsignale (S1ki, S2ki) an vorgegebenen Lagen (i) des ersten Gelenkteils (4) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (2) ohne Störmagnetfeld (21) charakterisieren, Werten zugeordnet sind, welche diese Lagen (i) charakterisieren, wobei mittels der Auswerteeinrichtung (13) der Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation (25) unter Zugriff auf das Kennfeld (27) herausrechenbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (4) einen eine Gelenkkugel (3) aufweisenden Kugelzapfen bildet, an oder in dessen Gelenkkugel (3) der Magnet (9) angeordnet ist, und das zweite Gelenkteil (2) ein Gelenkgehäuse bildet, wobei der Kugelzapfen (4) mit seiner Gelenkkugel (3) bewegbar in dem Gelenkgehäuse (2) gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung (6) hindurch aus dem Gelenkgehäuse (2) heraus erstreckt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil eine Kugelhülse mit einer kugelartigen Lagerfläche bildet, wobei der Magnet an oder in der Kugelhülse angeordnet ist, und wobei das zweite Gelenkteil ein Gelenkgehäuse bildet, in welchem die Kugelhülse mit ihrer kugelartigen Lagerfläche bewegbar gelagert ist und sich durch wenigstens eine in diesem vorgesehene Öffnung hindurch aus dem Gelenkgehäuse heraus erstreckt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformation mittels der Auswerteeinrichtung in Form wenigstens eines Lagesignals (S3) erzeugbar ist.
  9. Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen (2, 4) eines Gelenks (1), wobei – mit einem ersten der Gelenkteile (4) ein ein örtliches Magnetfeld (19) hervorrufender Magnet (9) verbunden ist, – mit einem zweiten der Gelenkteile (2) mehrere von einem resultierenden Magnetfeld durchflutete Sensoranordnungen (11, 12) verbunden sind, welches zumindest durch das örtliche Magnetfeld (19) gebildet wird, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in unterschiedlichen Richtungen durchflutet werden, wobei mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) erfasst und wenigstens ein das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) charakterisierendes Sensorsignal (S1, S2) erzeugt wird, – unter Auswertung der Sensorsignale (S1, S2) wenigstens eine die Lage des ersten Gelenkteils (4) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (2) charakterisierende Lageinformation (25) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das resultierende Magnetfeld durch eine Überlagerung des örtlichen Magnetfelds (19) mit wenigstens einem Störmagnetfeld (21) gebildet wird, von welchem die Sensoranordnungen (11, 12) in oder näherungsweise in der gleichen Richtung durchflutet werden, – mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) in unterschiedlichen Raumrichtungen (x, y, z) erfasst wird, – ein Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation eliminiert oder zumindest reduziert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Störmagnetfeld (21) von wenigstens einer Störfeldquelle (20) hervorgerufen wird, deren Abstand zu den Sensoranordnungen (11, 12) sehr viel größer als der Abstand des Magneten (9) zu den Sensoranordnungen (11, 12) ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Differenzbildung der Sensorsignale (S1, S2) oder diese charakterisierender Werte der Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation (25) eliminiert oder zumindest reduziert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels jeder der Sensoranordnungen (11, 12) das resultierende Magnetfeld am Ort der jeweiligen Sensoranordnung (11, 12) in mindestens zwei, vorzugweise in drei unterschiedlichen Raumrichtungen (x, y, z) erfasst wird, die nicht in derselben Ebene liegen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch ein Kennfeld (27), in dem Werte, welche die Sensorsignale (S1ki, S2ki) an vorgegebenen Lagen (i) des ersten Gelenkteils (4) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (2) ohne Störmagnetfeld (21) charakterisieren, Werten zugeordnet sind, welche diese Lagen (i) charakterisieren, wobei der Einfluss des Störmagnetfelds (21) auf die Sensoranordnungen (11, 12) oder auf die Sensorsignale (S1, S2) bei der Bildung der Lageinformation (25) unter Zugriff auf das Kennfeld (27) herausgerechnet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (4) einen eine Gelenkkugel (3) aufweisenden Kugelzapfen bildet, an oder in dessen Gelenkkugel (3) der Magnet (9) angeordnet ist, und das zweite Gelenkteil (2) ein Gelenkgehäuse bildet, wobei der Kugelzapfen (4) mit seiner Gelenkkugel (3) bewegbar in dem Gelenkgehäuse (2) gelagert ist und sich durch eine in diesem vorgesehene Zapfenöffnung (6) hindurch aus dem Gelenkgehäuse (2) heraus erstreckt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil eine Kugelhülse mit einer kugelartigen Lagerfläche bildet, wobei der Magnet an oder in der Kugelhülse angeordnet ist, und wobei das zweite Gelenkteil ein Gelenkgehäuse bildet, in welchem die Kugelhülse mit ihrer kugelartigen Lagerfläche bewegbar gelagert ist und sich durch wenigstens eine in diesem vorgesehene Öffnung hindurch aus dem Gelenkgehäuse heraus erstreckt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageinformation in Form wenigstens eines Lagesignals (S3) erzeugt wird.
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