DE10349937A1 - Einrichtung zur berührungslosen Erfassung von Schaltstellungen in Kraftfahrzeugschließsystemen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung dient zur berührungslosen Erfassung von Schaltstellungen in Kraftfahrzeugschließsystemen, insbesondere für Fahrzeugtüren und Zündschlösser, mit einem durch einen Schlüssel (9) bewegten Drehzylinder (3) oder einer entsprechenden linearen Bewegung der Türverriegelung. Ein Dauermagnet (1) ist mit dem Drehzylinder (3) bzw. der bewegten Türverriegelung verbunden, und ein von dem Magneten (1) beeinflussbarer magnetempfindlicher Sensor (5) ist in einem Luftspaltabstand von dem Magneten an einem Träger befestigt, der mit dem unbewegten Kraftfahrzeuggehäuse bzw. mit der Fahrzeugtür fest verbunden ist, so dass bei einer Bewegung des Magneten (1) gegenüber dem Sensor (5) von diesem ein Signal erzeugt wird. Der Sensor (5) ist als ein magnetoresistiver Sensor mit zwei um einen Winkel von 45 DEG gegeneinander verdrehten Wheatstone-Brücken (6, 7) ausgebildet, der zwei Feldkomponenten des Magneten (1) in analoger Form als Maß der Winkelstellung des Drehzylinders (3) bzw. der Linearbewegung der Türverriegelung erfasst und an eine Auswerteelektronik weitergibt. Diese Einrichtung hat den Vorteil, dass bei ihr nicht die magnetische Feldstärke erfasst wird, sondern die Drehung des Schließzylinders (3) am Sensorort in erster Linie eine Drehung des Magnetfeldes hervorruft und magnetoresistive Sensoren eingesetzt werden, die durch zwei um 45 DEG verdrehte Wheatstone-Brücken zwei Feldkomponenten des Magneten erfassen und hiermit analoge, d. h. kontinuierliche Werte als Maß der ...
Description
- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Erfassung von Schaltstellungen in Kraftfahrzeugschließsystemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Schließsysteme finden in Kraftfahrzeugen sowohl bei den Türen zur Fahrgastzelle und zum Kofferraum als auch als Zündschloss Anwendung. Hierbei wird die Schlüsseldrehung auf einen Schließzylinder übertragen, der über ein Schaltteil, wie eine Schaltnuss, die Schaltfunktionen, z.B. Öffnen/Schließen auslöst. Traditionell erfolgt das Schalten durch Nocken auf dem bewegten Schaltteil, durch welche mechanische Taster angesprochen werden.
- Aus Kostengründen sowie wegen der höheren Zuverlässigkeit sind die Systeme zum Teil durch Einrichtungen abgelöst, bei denen ein Dauermagnet im Schaltteil die Schaltfunktion in einem Sensorelement auslöst. Bei den Sensorelementen handelt es sich um Hallsensoren, die beim Polübergang des Magneten eine digitale, nämlich durch nur zwei Zustände „Ein/Aus" definierte Funktion schalten.
- In zunehmendem Maße müssen in solchen Schließsystemen mehrere Funktionen geschaltet werden. So wird z.B. im Bereich der Fahrertür mit der Schlüsselstellung unter verschiedenen Winkeln die Fahrertür gesperrt und entsperrt, die Zentralverriegelung ausgelöst und die Alarmanlage aktiviert oder passiviert.
- Diese Mehrfachfunktionen werden durch mehrere Magnetspuren an dem Dreh- oder Schließzylinder oder dem Schaltteil sowie mehrere Sensoren ausgelöst. Solche Schließsysteme sind äußerst aufwendig und haben einen entsprechend großen Platzbedarf, der jedoch besonders bei beengten Einbauverhältnissen, wie dies gerade bei Türverriegelungen und Zündschlössern der Fall ist, oftmals nicht zur Verfügung steht. Grundsätzlich wäre es daher erwünscht, mehrere Funktionen möglichst durch nur einen Magneten und einen Sensor auszulösen, wobei der Sensor ein analoges Signal ausgeben sollte, das über einen größeren Winkelbereich zum Schließwinkel annähernd proportional ist, und bei dem die Schaltfunktionen elektronisch durch einen Vergleich mit fest definierten Schaltwinkeln ausgelöst werden können. Hierfür haben sich jedoch Hallsensoren als nur sehr bedingt geeignet erwiesen, da der Feldverlauf bei der Signalgabe stark unlinear mit dem Abstand bzw. Winkel des Magneten von dem Sensor abnimmt und bei geringen Feldstärken die Gefahr der Manipulierbarkeit von außen durch einen starken separaten Magneten, der z.B. an das Schloss herangeführt wird, zunimmt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, bei der mit der Betätigung des Schließ- oder Drehzylinders oder der Türverriegelung ein analoges Signal proportional zum Drehwinkel oder zur linearen Bewegung der Türverriegelung erzeugt wird, welches mit Hilfe einer nachfolgenden Elektronik mehrere Schaltfunktionen generiert. Zusätzlich soll die Einrichtung am Sensorort unter verschiedenen Schlüsselstellungen ein durchgehend hohes magnetisches Feldniveau aufweisen, so dass eine Manipulation durch Fremdfelder nach Möglichkeit vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Sensor als ein magnetoresistiver Sensor mit zwei um einen Winkel von 45° gegeneinander verdrehten Wheatstone- Brücken ausgebildet ist, der zwei Feldkomponenten des Magneten in analoger Form als Maß der Winkelstellung des Drehzylinders bzw. der Linearbewegung der Türverriegelung erfasst und an eine Auswerteelektronik weitergibt.
- Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 gekennzeichnet.
- Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, dass bei ihr nicht die magnetische Feldstärke erfasst wird, sondern die Drehung des Schließzylinders am Sensorort in erster Linie eine Drehung des Magnetfeldes hervorruft und anstelle der Hallsensoren magnetoresistive Sensoren eingesetzt werden, die durch zwei um 45° verdrehte Wheatstone-Brücken zwei Feldkomponenten des Magneten erfassen und hiermit analoge, d.h. kontinuierliche Werte als Maß der Winkelstellung ausgeben, so dass mehrere Schaltungen durch einen Magnet und Sensor ausgelöst werden und bei durchgehend hohem Feldniveau eine Manipulation von außen erschwert ist.
- Im allgemeinen misst der Sensor das Quadrat der Feldkomponente jeweils parallel zu dem magnetoresistiven Teil der beiden Wheatstone-Brücken, so dass die Ausgangswerte proportional dem Sinus und Cosinus des zweifachen Drehwinkels sind. Daher sind die beiden Brücken unter 45° zueinander angeordnet. Dies bewirkt, dass der Drehwinkel des Feldes über einen Winkelbereich von 180° eindeutig erfasst werden kann.
- Bei Bedarf kann der Schaltbereich durch entsprechende Beschaltung auf Winkel > 180° ausgedehnt werden.
- In einer vorteilhaften ersten Ausführungsform ist der Magnet stirnseitig an dem Drehzylinder oder einem daran befestigten Schaltteil koaxial zur Drehachse angeordnet und weist gleichstarke gegensinnige Pole N und S auf und der Sensor ist mit der Oberseite seines Chipgehäuses gegenüber der Stirnseite des Magneten montiert.
- In einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform ist der Magnet ebenfalls stirnseitig an dem Drehzylinder oder einem daran befestigten Schaltteil koaxial zur Drehachse angeordnet, jedoch senkrecht zur Drehachse linear magnetisiert und der Sensor mit der Oberseite seines Chipgehäuses gegenüber der Stirnseite des Magneten montiert.
- Bei beiden Ausführungsformen ist der Sensor in Verlängerung des Drehzylinders in engem Abstand von der Stirnseite des Magneten angeordnet.
- In einer demgegenüber abgewandelten weiteren Ausführungsform ist der Magnet als ringförmiges Segment an dem Drehzylinder oder einem daran befestigten Schaltteil konzentrisch zur Drehachse angeordnet und weist am Außenumfang mindestens einen Nord- und Südpol auf, wodurch das Magnetfeld bei Drehung des Schließzylinders in einer Ebene senkrecht zur Schließ- oder Drehachse rotiert und der Sensor mit der Oberseite seines Chipgehäuses derart radial außerhalb des Segmentkörpers zwischen dem Nord- und Südpol montiert ist, dass das Magnetfeld von dem Sensorchip mit der Oberfläche in dieser Ebene erfasst wird.
- In einer weiteren abgewandelten Ausführungsform sind an dem Drehzylinder oder einem daran koaxial zur Drehachse befestigten Schaltteil zwei Magnete koaxial nebeneinander oder ein Magnet mit zwei unterschiedlich magnetisierten Bereichen N und S gegensinnig diametral senkrecht zur Drehachse magnetisiert, während der Sensor sich außerhalb des Außenumfanges des Schaltteils mit seinem Zentrum etwas axial versetzt zur Trennlinie zwischen den zwei Magneten bzw. zwischen den beiden magnetisierten Bereichen befindet und der Sensor mit der Gehäuseoberseite tangential zum Außenumfang des oder der Magnete ausgerichtet ist.
- Für einen Einsatz bei einer linear bewegbaren Türverriegelung kann der Magnet aber auch als ein über seine Länge gerade magnetisierter Magnetstab oder Magnetblock mit endseitigem Nord- und Südpol ausgebildet sein und an einem seitlich davon angebrachten Sensor linear vorbeigeführt werden, wodurch am Sensorort die Drehung des Magnetfeldes in Übereinstimmung mit der Linearbewegung des Magneten erfasst wird.
- Die durch die Drehung oder die Linearbewegung des oder der Magneten gegenüber dem Sensor erzeugten Signale werden sodann in der Auswertelektronik mit mehreren vorgegebenen Schaltpositionen verglichen und damit unterschiedliche Schaltfunktionen ausgelöst.
- In vorteilhafter Weise kann der Magnet als kunststoffgebundener Werkstoff in eine stirnseitige Tasche des Drehzylinders oder des Schaltteils eingespritzt oder von diesem umspritzt sein. Der Magnet kann aber auch als kunststoffgebundener Werkstoff zusammen mit dem Drehzylinder oder dem Schaltteil in Zweikomponenten-Spritzgußtechnik hergestellt sein. Ebenso kann der Magnet als gesinteter oder gegossener Magnetstab oder Magnetblock aus Hartferrit, einer AlNiCo-Legierung oder aus einem Seltenerdwerkstoff in eine Tasche des Drehzylinders, des Schaltteils oder eines linear bewegbaren Trägers der Türverriegelung eingefügt.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen
-
1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einrichtung mit einem Sensor, der an einem Träger stirnseitig vor einem zweipolig auf der Oberfläche magnetisierten Dauermagneten angeordnet ist, -
2 einen Schnitt durch den Dauermagneten gemäß Schnittlinie II-II von1 , -
3 den Sensor von1 in einer vergrößerten Seitenansicht, -
4 ein Schaltbild des Sensors von1 und3 mit zwei um 45° gegeneinander verdrehten Wheatstone-Brücken, -
5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zweiten Einrichtung mit dem Sensor von3 und4 stirnseitig vor einem zweipolig linear magnetisierten Dauermagneten, -
6 einen Schnitt durch den Dauermagneten gemäß Schnittlinie VI-VI von5 , -
7 eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer Einrichtung mit dem Sensor seitlich eines mehrpolig auf dem Umfang magnetisierten Dauermagneten, -
8 eine Stirnansicht dieser Einrichtung gemäß Pfeil VIII in7 , -
9 eine weitere Einrichtung, bei der der Sensor seitlich von diametral magnetisierten Dauermagneten angeordnet ist, -
10 eine Stirnansicht dieser Einrichtung gemäß Pfeil X von9 und -
11 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Schaltung des Sensors bei linearer Bewegung des Dauermagneten. - In dem ersten Ausführungsbeispiel von
1 und2 befindet sich ein Dauermagnet1 stirnseitig auf einem Schaltteil2 , welches fest mit einem Dreh- oder Schließzylinder3 verbunden ist. Auf der gleichen geometrischen Achse, also in Verlängerung der Drehachse4 von Drehzylinder3 und Schaltteil2 , jedoch mechanisch fest mit dem Schloss verbunden, befindet sich vor dem Magneten1 ein magnetoresisitiver Sensor5 mit der Oberseite seines Chipgehäuses gegenüber der Stirnseite des Magneten1 . Der magnetoresistive Sensor5 besteht gemäß3 und4 aus einem Chip mit zwei um einen Winkel von 45° gegeneinander verdrehten Wheatstone-Brücken6 ,7 , die in einem Chipgehäuse8 angeordnet und mit einer Auswerteelektronik verbunden sind. Bei Drehung des Schließzylinders3 mit einem Schlüssel9 wird der Drehwinkel des Schaltteils2 berührungslos magnetisch auf den magnetoresistiven Sensor5 übertragen, und es werden zwei Signale erzeugt, aus denen der Drehwinkel als analoge Auswertegröße in einem Winkelbereich von 180° eindeutig zugeordnet werden kann. - Der Dauermagnet
1 kann kostengünstig als kunststoffgebundener Werkstoff direkt in das Schaltteil2 eingespritzt oder mit diesem in Zweikomponenten-Spritzgusstechnik in einem Schritt hergestellt werden. Je nach Schaltabstand können für den Magneten1 stärkere Werkstoffe auf Seltenerdbasis wie auch magnetisch schwächere Werkstoffe auf Ferritbasis eingesetzt werden. - In einem zweiten Beispiel von
5 und6 ist der Dauermagnet1 nicht stirnseitig zweipolig, sondern in Richtung des Pfeiles10 senkrecht zur Drehachse4 linear magnetisiert. Das Sensorelement5 ist wie beim ersten Beispiel wieder koaxial mit der Drehachse4 des Dreh- oder Schließzylinders3 angeordnet und gibt ein vergleichbares Signal. Durch die lineare Art der Magnetisierung können stärkere gesinterte oder gegossene Magnetwerkstoffe, wie Hartferrite, Seltenerdwerkstoffe oder AlNiCo-Legierungen eingesetzt werden, wodurch bei etwas höheren Schaltabständen noch die volle Sättigung des Sensorelementes garantiert wird. - Beim dritten Beispiel von
7 und8 ist der Dauermagnet1 als kreisförmiges Segment seitlich im Schaltteil2 konzentrisch zur Schließ- oder Drehachse4 angeordnet und enthält am Außenumfang mindestens einen Nord- und Südpol, wobei das Magnetfeld in einer Ebene senkrecht zur Drehachse4 bei Drehung des Schließzylinders3 rotiert. Das Schließsystem baut damit als ganzes axial kürzer, der Außenumfang ist aber durch die seitliche Sensoranordnung deutlich größer. - Dies ist im vierten Beispiel von
9 und10 verbessert. Bei dieser Ausführungsform sind am oder im Schaltteil2 des Drehzylinders3 zwei Magnete1a ,1b koaxial nebeneinander oder ein Magnet1 mit zwei unterschiedlich magnetisierten Bereichen N und S gegensinnig diametral senkrecht zur Drehachse magnetisiert. Der Sensor5 befindet sich außerhalb des Außenumfanges des Schaltteils2 etwas axial versetzt zur Trennlinie1c zwischen den beiden magnetisierten Bereichen bzw. Magneten. Durch diese Magnetisierung ergibt sich eine Drehung der Magnetfelder in einer Ebene, die parallel zur Drehachse4 des Schließzylinders3 ist, so dass der Sensor5 und die Platine tangential zum Außendurchmesser des oder der Magneten ausgerichtet sind. Dies ermöglicht eine schmalere Bauform des gesamten Systems und einen geringeren Abstand der aktiven Sensorfläche zur Magnetoberfläche. - In allen Ausführungsbeispielen werden die beiden gegeneinander versetzten Signale, die von dem magnetoresistiven Sensor
5 kommen, in einer nachgeschalteten Elektronik derart ausgewertet, dass mehrere Schaltfunktionen unabhängig voneinander unter verschiedenen Schaltwinkeln des Schließzylinders3 ausgelöst werden können. - Im letzten Beispiel von
11 ist statt einer Drehbewegung das gleiche Prinzip der Erfindung auf eine lineare Bewegung in Richtung des Doppelpfeiles11 angewendet. Hierbei wird ein über die Länge gerade magnetisierter Magnetstab oder Magnetblock1d linear an einem seitlich davon angebrachten Sensorelement5 vorbeigeführt. Als Magnetwerkstoff kann vorzugsweise eine AlNiCo-Legierung eingesetzt werden. Diese Werkstoffe arbeiten bei dem günstigsten Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von > 3 am effektivsten. Die lineare Bewegung wirkt sich magnetisch am Sensorort in einer Drehung des Magnetfeldes aus, welches wieder durch den magnetoresistiven Sensor5 an eine nachgeschaltete Auswerteelektronik als analoges Signal weitergegeben wird. - Diese Anordnung erlaubt z.B. das Versperren und Entsperren der Fahrzeugtüren bei Bewegung der Sicherungsknöpfe
12 an der Fensterunterseite oder bei Betätigung der Türöffnungshebel in der Türinnenseite. -
- 1
- Magnet, Dauermagnet
- 1a
- Magnet, Dauermagnet
- 1b
- Magnet, Dauermagnet
- 1c
- Trennlinie
- 1d
- Magnetstab, Magnetblock
- 2
- Schaltteil
- 3
- Dreh- oder Schließzylinder
- 4
- Drehachse
- 5
- Sensor, Sensorelement
- 6
- Wheatstone-Brücke
- 7
- Wheatstone-Brücke
- 8
- Chipgehäuse
- 9
- Schlüssel
- 10
- Pfeil für Magnetisierungsrichtung
- 11
- Doppelpfeil Bewegungs- oder Drehrichtung
- 12
- Sicherungsknopf
Claims (11)
- Einrichtung zur berührungslosen Erfassung von Schaltstellungen in Kraftfahrzeugschließsystemen, insbesondere für Fahrzeugtüren und Zündschlösser, mit einem durch einen Schlüssel bewegten Drehzylinder oder einer entsprechenden linearen Bewegung der Türverriegelung, wobei ein Magnet mit dem Drehzylinder bzw. der bewegten Türverriegelung verbunden und ein von dem Magneten beeinflussbarer magnetempfindlicher Sensor in einem Luftspaltabstand von dem Magneten an einem Träger befestigt ist, der mit dem unbewegten Kraftfahrzeuggehäuse bzw. mit der Fahrzeugtür fest verbunden ist, so dass bei einer Bewegung des Magneten gegenüber dem Sensor von diesem ein Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
5 ) als ein magnetoresistiver Sensor mit zwei um einen Winkel von 45° gegeneinander verdrehten Wheatstone-Brücken (6 ,7 ) ausgebildet ist, der zwei Feldkomponenten des Magneten in analoger Form als Maß der Winkelstellung des Drehzylinders (3 ) bzw. der Linearbewegung der Türverriegelung erfasst und an eine Auswerteelektronik weitergibt. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) stirnseitig an dem Drehzylinder (3 ) oder einem daran befestigten Schaltteil (2 ) koaxial zur Drehachse (4 ) angeordnet ist und zwei gleichstarke gegensinnige Pole N und S aufweist und der Sensor (5 ) mit der Oberseite seines Chipgehäuses (8 ) gegenüber der Stirnseite des Magneten (1 ) montiert ist. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) stirnseitig an dem Drehzylinder (3 ) oder einem daran befestigten Schaltteil (2 ) koaxial zur Drehachse (4 ) angeordnet und senkrecht zur Drehachse linear magnetisiert ist und der Sensor (5 ) mit der Oberseite seines Chipgehäuses (8 ) gegenüber der Stirnseite des Magneten (1 ) montiert ist. - Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (
5 ) in Verlängerung des Drehzylinders (3 ) in engem Abstand von der Stirnseite des Magneten (1 ) angeordnet ist. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) als ringförmiges Segment an dem Drehzylinder (3 ) oder einem daran befestigten Schaltteil (2 ) konzentrisch zur Drehachse (4 ) angeordnet ist und am Außenumfang mindestens einen Nord- und Südpol aufweist, wodurch das Magnetfeld bei Drehung des Schließzylinders (3 ) in einer Ebene senkrecht zur Schließ- oder Drehachse (4 ) rotiert und der Sensor (5 ) mit der Oberseite seines Chipgehäuses (8 ) derart radial außerhalb des Segmentkörpers zwischen dem Nord- und Südpol montiert ist, dass das Magnetfeld von dem Sensorchip mit der Oberfläche in dieser Ebene erfasst wird. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Drehzylinder (
3 ) oder einem daran koaxial zur Drehachse (4 ) befestigten Schaltteil (2 ) zwei Magnete (1a ,1b ) koaxial nebeneinander oder ein Magnet mit zwei unterschiedlich magnetisierten Bereichen N und S gegensinnig diametral senkrecht zur Drehachse (4 ) magnetisiert sind, der Sensor (5 ) sich außerhalb des Außenumfanges des Schaltteils (2 ) mit seinem Zentrum etwas axial versetzt zur Trennlinie (1c ) zwischen den zwei Magneten bzw. zwischen den beiden magnetisierten Bereichen befindet und der Sensor (5 ) mit der Gehäuseoberseite tangential zum Außenumfang des oder der Magnete ausgerichtet ist. - Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) als ein über seine Länge gerade magnetisierter Magnetstab oder Magnetblock (1d ) mit endseitigem Nord- und Südpol ausgebildet ist und an einem seitlich davon angebrachten Sensor (5 ) linear vorbeigeführt wird, wodurch am Sensorort die Drehung des Magnetfeldes in Übereinstimmung mit der Linearbewegung des Magneten (1 ) erfasst wird. - Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Drehung oder die Linearbewegung des oder der Magneten (
1 ) gegenüber dem Sensor (5 ) erzeugten Signale in der Auswertelektronik mit mehreren vorgegebenen Schaltpositionen verglichen und damit unterschiedliche Schaltfunktionen ausgelöst werden. - Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) als kunststoffgebundener Werkstoff in eine stirnseitige Tasche des Drehzylinders (3 ) oder des Schaltteils (2 ) eingespritzt oder von diesem umspritzt ist. - Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) als kunststoffgebundener Werkstoff zusammen mit dem Drehzylinder (3 ) oder dem Schaltteil (2 ) in Zweikomponenten-Spritzgußtechnik hergestellt ist. - Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (
1 ) als gesinteter oder gegossener Magnetstab oder Magnetblock (1d ) aus Hartferrit, einer AlNiCo-Legierung oder aus einem Seltenerdwerkstoff in eine Tasche des Drehzylinders (3 ), des Schaltteils oder eines linear bewegbaren Trägers der Türverriegelung eingefügt ist.
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