-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements mit einem magnetischen Encoder.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Die steigende Komplexität im Straßenverkehr stellt hohe Herausforderungen an den Autofahrer. Fahrerassistenzsysteme bieten den Fahrern Entlastung und optimieren die Verkehrssicherheit. Insbesondere sind Drehzahlsensoren unter dem Aspekt der Fahrsicherheit sehr bedeutend, wie es ihre vielfältige Verwendung in verschiedenen Fahrzeugsystemen zeigt. Beispielsweise werden sie in Fahrassistenzsystemen von den Steuergeräten zur Erkennung der Raddrehzahl verwendet. Die Raddrehzahlinformation wird über Datenleitungen vom Steuergerät auch anderen Systemen (Motor-, Getriebe-, Navigations- und Fahrwerkregelsystemen) zur Verfügung gestellt. Durch diese vielseitige Verwendung leisten Drehzahlsensoren einen direkten Beitrag zur Fahrdynamik, Fahrsicherheit und Fahrkomfort.
-
Die bekannten Drehzahlsensoren im Automobilbereich sind oft auf magnetischer Basis und tasten magnetisch einen sogenannten Encoder ab. Diese Sensoren und Encoder sind aber mit erhöhten Kosten verbunden, weil beispielsweise ferromagnetische Rückschlüsse benutzt werden müssen.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements mit einem magnetischen Encoder zur Verfügung zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements gelöst. Die Vorrichtung umfasst einen an dem bewegbaren Element befestigten Encoder, der eine Schicht aus einem magnetisierten Material umfasst, wobei das magnetisierte Material derart magnetisiert ist, dass eine magnetische Flussdichte durch das magnetisierte Material im Wesentlichen nur auf einer Seite des Encoders ausgebildet wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Sensor, der ausgebildet und angeordnet ist, die durch das magnetisierte Material ausgebildete magnetische Flussdichte zu erfassen, wobei sich die durch das magnetisierte Material ausgebildete Flussdichte, die vom Sensor erfasst wird, durch die Bewegung des bewegbares Elements ändert. Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Prozessor, der mit dem Sensor verbunden ist, wobei der Prozessor ausgebildet ist, die Bewegung des bewegbaren Elements anhand der erfassten magnetischen Flussdichte zu bestimmen, die durch das magnetisierte Material ausgebildet wird.
-
Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die magnetische Flussdichte, die das magnetisierte Material auf einer Schicht des Encoders liefert, möglichst optimal benutzt werden kann, da die magnetische Flussdichte im Wesentlichen nur einseitig ausgebildet ist. Weiterhin kann auf den kostspieligen magnetischen Rückschluss verzichtet werden, da durch diese Magnetisierung die gesamte magnetische Flussdichte auf eine Seite des Encoders gelenkt wird und ein Rückschlussblech nicht notwendig ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist das magnetisierte Material derart magnetisiert, dass eine Halbach-Konfiguration der magnetischen Flussdichte durch das magnetisierte Material ausgebildet wird.
-
Durch diese spezielle Magnetisierung können größere Luftspalte zwischen dem Encoder und dem Sensor überbrückt werden oder, bei gleicher magnetischer Flussdichte, die Dicke des Encoders reduziert werden, wodurch Kosten gespart werden können. Eine weitere Kosteneinsparung ergibt sich auch durch den Wegfall des magnetischen Rückschlusses. Darüber hinaus können beide Effekte genutzt werden, um das Gewicht und das Trägheitsmoment des Encoders zu reduzieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung besteht das magnetisierte Material aus kunststoffgebundenem Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Sensor ein Hall-Effekt-Sensor, ein AMR-Effekt-Sensor, ein TMR-Effekt-Sensor oder ein GMR-Effekt-Sensor.
-
Die verschiedenen magnetischen Hall-Effekt-Sensoren, AMR-Sensoren, TMR-Effekt-Sensoren und GMR-Sensoren, verfügen gemeinsam über eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise die hohe Auflösung, die hohe Genauigkeit und die hohe Dynamik. Außerdem sind die magnetischen Sensoren sehr robust gegenüber Schmutz, sehr hohen oder sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und sie weisen eine hohe Zuverlässigkeit, kleine Abmessungen, eine niedrige Leistungsaufnahme und eine lange Lebensdauer auf.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Encoder ein ringförmiger Encoder.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Sensor ein Drehzahlensensor.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist das bewegbare Element ein drehbares Element.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist das drehbare Element eine Welle, insbesondere eine Motorwelle, eines Fahrzeuges.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Encoder ein Linearencoder.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Vorfahren zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements gelöst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines auf dem bewegbaren Element befestigten Encoders, der eine Schicht aus einem magnetisierten Material umfasst, wobei das magnetisierte Material derart magnetisiert ist, dass eine magnetische Flussdichte durch das magnetisierte Material im Wesentlichen nur auf einer Seite des Encoders ausgebildet wird, Erfassen der durch das magnetisierte Material ausgebildeten magnetischen Flussdichte mit einem Sensor, wobei sich die durch das magnetisierte Material ausgebildete Flussdichte, die vom Sensor erfasst wird, durch die Bewegung des bewegbares Elements ändert und Bestimmen der Bewegung des bewegbaren Elements anhand der erfassten magnetischen Flussdichte, die durch das magnetisierte Material ausgebildet wird, mit einem Prozessor, wobei der Prozessor mit dem Sensor verbunden ist.
-
Das Verfahren kann durch die Vorrichtung ausgeführt werden. Weitere Merkmale des Verfahrens resultieren unmittelbar aus der Merkmalen und/oder der Funktionalität der Vorrichtung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das magnetisierte Material derart magnetisiert, dass eine Halbach-Konfiguration der magnetischen Flussdichte durch das magnetisierte Material ausgebildet wird.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens besteht das magnetisierte Material aus kunststoffgebundenem Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Sensor ein Hall-Effekt-Sensor, ein AMR-Effekt-Sensor, ein TMR-Effekt-Sensor oder ein GMR-Effekt-Sensor.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Encoder ein ringförmiger Encoder.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Sensor ein Drehzahlensensor.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das bewegbare Element ein drehbares Element.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das drehbare Element eine Welle, insbesondere eine Motorwelle, eines Fahrzeuges.
-
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Weitere Ausführungsbeispiele werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert:
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements mit einem magnetischen Encoder;
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbach-Konfiguration von Magneten; und
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements mit einem magnetischen Encoder.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
-
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
Wenngleich ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann außerdem ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Weiterhin sollen in dem Ausmaß, in dem die Ausdrücke „enthalten", „haben", „mit" oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, solche Ausdrücke auf eine Weise ähnlich dem Ausdruck „umfassen" einschließend sein. Die Ausdrücke „gekoppelt" und „verbunden" können zusammen mit Ableitungen davon verwendet worden sein. Es versteht sich, dass derartige Ausdrücke dazu verwendet werden, um anzugeben, dass zwei Elemente unabhängig davon miteinander kooperieren oder interagieren, ob sie in direktem physischem oder elektrischem Kontakt stehen oder nicht in direktem Kontakt miteinander stehen. Außerdem ist der Ausdruck „beispielhaft" lediglich als ein Beispiel aufzufassen anstatt der Bezeichnung für das Beste oder Optimale. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements 102 mit einem magnetischen Encoder 104 gemäß einer Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 100 einen Encoder 104, der eine Schicht aus einem magnetisierten Material umfasst, wobei das magnetisierte Material derart magnetisiert ist, dass eine magnetische Flussdichte 106 durch das magnetisierte Material im Wesentlichen nur auf einer Seite der Schicht aus dem magnetisierten Material ausgebildet wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 einen Sensor 108, der ausgebildet und angeordnet ist, die durch das magnetisierte Material ausgebildete magnetische Flussdichte 106 zu erfassen, wobei sich die durch das magnetisierte Material ausgebildete magnetische Flussdichte 106, die von dem Sensor 108 erfasst wird, durch die Bewegung des bewegbares Elements 102 ändert. Außerdem umfasst die Vorrichtung 100 einen Prozessor 110, der mit dem Sensor 108 verbunden ist, wobei der Prozessor 110 ausgebildet ist, die Bewegung des bewegbaren Elements 102 anhand der erfassten magnetischen Flussdichte 106 zu bestimmen, die durch das magnetisierte Material ausgebildet wird.
-
Das magnetisierte Material kann derart magnetisiert sein, dass eine Halbach-Konfiguration der magnetischen Flussdichte 106 durch das magnetisierte Material ausgebildet wird, wobei das magnetisierte Material aus kunststoffgebundenem Hartferritoder Seltenerdmagnetpulver bestehen kann.
-
Der Encoder 104 kann ein ringförmiger Encoder sein. Der Sensor 108 kann ein Drehzahlensensor, insbesondere ein Hall-Effekt-Sensor, ein AMR-Effekt-Sensor, ein TMR-Effekt-Sensor oder ein GMR-Effekt-Sensor sein. Das bewegbare Element 102 kann eine Welle, beispielsweise eine Motorwelle eines Fahrzeuges sein, an der der Encoder 104 befestigt ist. In dieser Ausführungsform ändert sich die vom Sensor 108 erfasste magnetische Flussdichte 106 durch die Drehung der Motorwelle und damit des Encoders 104. Diese Änderungen der vom Sensor 108 erfassten magnetischen Flussdichte 106 können zur Erfassung von Bewegungen des Fahrzeuges benutzt werden.
-
Die Vorrichtung 100 hat den Vorteil, dass durch die im Wesentlichen einseitige Magnetisierung des Encoders 104 größere Luftspalte zwischen dem Encoder 104 und dem Sensor 108 überbrückt werden können.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbach-Konfiguration von Magneten gemäß einer Ausführungsform. In dieser Ausführungsform der Halbach-Konfiguration von Magneten
200 sind die Nord- und Südpole der Magnete
200 derart angeordnet, dass sich die magnetische Flussdichte
106 an der einen Seite der Konfiguration fast aufhebt (B = 0), auf der anderen Seite jedoch verstärkt. Eine solche Magnetisierung beruht auf Arbeiten von Halbach
"Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material", Nuclear Instruments and Methods 169 (1), Volume 169, Issue 1, 1–10, 1980. Die hierin beschriebenen Prinzipien sind Bestandteil der vorliegenden Beschreibung der Erfindung.
-
Durch diese spezielle Magnetisierung kann ein Material so magnetisiert werden, dass die magnetische Flussdichte 106 im Wesentlichen nur einseitig ausgebildet ist. Eine Schicht aus einem solchen Material kann auf einem Encoder 104 aufgebracht werden, sodass die durch das magnetisierte Material erzeugte magnetische Flussdichte 106 besser von den magnetischen Sensoren 108 ausgenutzt werden kann.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 300 zum Bestimmen einer Bewegung eines bewegbaren Elements 102 gemäß einer Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren 300 die folgenden Schritte:
Bereitstellen 302 eines auf dem bewegbaren Element 102 befestigten Encoders 104, der eine Schicht aus einem magnetisierten Material umfasst, wobei das magnetisierte Material derart magnetisiert ist, dass eine magnetische Flussdichte 106 durch das magnetisierte Material im Wesentlichen nur auf einer Seite des Encoders 104 ausgebildet wird;
Erfassen 304 der durch das magnetisierte Material ausgebildeten magnetischen Flussdichte 106 des magnetisierten Materials mit einem Sensor 108, wobei sich die durch das magnetisierte Material ausgebildete Flussdichte 106, die vom Sensor 108 erfasst wird, durch die Bewegung des bewegbares Elements 102 ändert; und
Bestimmen 306 der Bewegung des bewegbaren Elements 102 anhand der erfassten magnetischen Flussdichte 106, die durch das magnetisierte Material ausgebildet wird, mit einem Prozessor 110, wobei der Prozessor 110 mit dem Sensor 108 verbunden ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Vorrichtung
- 102
- Element
- 104
- Encoder
- 106
- Flussdichte
- 108
- Sensor
- 110
- Prozessor
- 200
- Magnet
- 300
- Verfahren
- 302
- Bereitstellen
- 304
- Erfassen
- 306
- Bestimmen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- "Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material", Nuclear Instruments and Methods 169 (1), Volume 169, Issue 1, 1–10, 1980 [0038]
