DE202021100399U1

DE202021100399U1 - Vorrichtungen zum Erfassen eines Drehwinkels eines Bauteils

Info

Publication number: DE202021100399U1
Application number: DE202021100399.5U
Authority: DE
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2031-01-28

Abstract

Vorrichtung, umfassend:einen Magneten, welcher mit einem Bauteil mechanisch gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des Bauteils basiert;mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher dazu ausgelegt ist, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds zu erfassen; undeine Umwandlungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor umzuwandeln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Vorrichtungen zum Erfassen eines Drehwinkels eines Bauteils.
Hintergrund
In bestimmten technischen Bereichen kann es von Interesse sein, Mehrfachdrehbewegungen von Bauteilen zu erfassen. Insbesondere kann es im automotiven Bereich von Interesse sein, Mehrfachdrehbewegungen automotiver Bauteile, wie zum Beispiel eines Lenkrads, zu erfassen. Herkömmliche Vorrichtungen zum Erfassen solcher Mehrfachdrehbewegungen schlagen in vielen Szenarien fehl, beispielsweise, wenn die Batterie eines Fahrzeugs in einer Werkstatt gewechselt wird und das Lenkrad des Fahrzeugs währenddessen auch nur leicht über die 0-Grad Position gedreht wird. Hersteller von Vorrichtungen zum Erfassen von Mehrfachdrehbewegungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte zu verbessern. Insbesondere kann es wünschenswert sein, Vorrichtungen bereitzustellen, die für möglichst viele Szenarien funktionieren.
Kurzdarstellung
Verschiedene Aspekte betreffen eine Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Magneten, welcher mit einem Bauteil mechanisch gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des Bauteils basiert. Die Vorrichtung umfasst ferner mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher dazu ausgelegt ist, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Umwandlungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor umzuwandeln.
Figurenliste
Vorrichtungen gemäß der Offenbarung und zugehörige Verfahren werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1 zeigt eine Seitenansicht einer Welle und eines auf der Welle montierten Magneten, wie sie in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein können.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Magneten und eines Magnetfeldsensors, wie sie in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein können.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Magneten, wie er in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein kann.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung 400 gemäß der Offenbarung.
5 zeigt Verläufe von Magnetfeldkomponenten eines Magneten in Abhängigkeit von einem Drehwinkel des Magneten.
6 zeigt eine auf Simulationsergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Bauteils.
7 zeigt eine auf Simulationsergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Bauteils.
8 zeigt eine auf Simulationsergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Bauteils.
9 zeigt eine auf Messergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Bauteils.
10 zeigt eine auf Messergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Bauteils.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Drehwinkels eines Bauteils.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können dazu ausgelegt sein, einen absoluten Drehwinkel bei einer Mehrfachdrehung eines Bauteils zu bestimmen. Das Bauteil kann dabei insbesondere ein automotives Bauteil umfassen oder einem solchen entsprechen. Im Folgenden können die Begriffe „Bauteil“ und „automotives Bauteil“ austauschbar verwendet werden. Bei einem automotiven Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Lenkrad eines Fahrzeugs handeln, insbesondere um ein Lenkrad einer elektrischen Servolenkung (EPS, Electric Power Steering). Die hierin beschriebenen Konzepte können jedoch auch auf andere Bauteile bzw. andere automotive Bauteile angewendet werden. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Vorrichtungen Drehwinkel einer Komponente einer Ventilsteuerung bestimmen. In einem weiteren Beispiel können Drehwinkel einer Komponente einer Scheibenwischeranwendung bestimmt werden. In noch einem weiteren Beispiel können Drehwinkel einer Komponente einer Kupplung bestimmt werden.
Die 1 zeigt eine Welle 2 und einen auf der Welle 2 montierten Magneten 4, wie sie in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein können. Der Magnet 4 kann auf der Welle 2 fixiert sein. Die Welle 2 kann ein Gewinde 6 aufweisen, dessen spiralförmig um die Welle 2 laufende Nut in ein Gegenstück 8 eingreifen kann. Die Welle 2 kann sich um eine Rotationsachse drehen, welche mit einer Symmetrieachse der Welle 2 zusammenfallen kann. Eine Drehung der Welle 2 um die Rotationsachse ist in der 1 durch einen kreisförmigen Pfeil angedeutet. Bei einer Drehung der Welle 2 um die Rotationsachse können die Welle 2 und der darauf fixierte Magnet 4 eine lineare Bewegung in der z-Richtung ausführen (vgl. senkrechter Pfeil). Das Gewinde 6 und das Gegenstück 8 können somit eine Umwandlungseinheit ausbilden, welche eine Drehbewegung der Welle 2 und des Magneten 4 in eine lineare Bewegung der Welle 2 und des Magneten 4 umwandeln kann. Dabei kann eine Größe der linearen Bewegung einem Drehwinkel der Welle 2 bzw. des Magneten 4 eindeutig zuordenbar sein und umgekehrt. Beispielweise kann eine volle Drehung der Welle 2 um einen Winkel von 360 Grad einer linearen Bewegung in der z-Richtung von etwa 1,2 mm entsprechen.
Die Drehbewegung der Welle 2 kann an eine Drehbewegung eines (insbesondere automotiven) Bauteils (nicht gezeigt) gekoppelt sein. In einem Beispiel kann das automotive Bauteil ein Lenkrad eines Fahrzeugs aufweisen bzw. einem solchen entsprechen. Die Welle 2 kann mit einer Lenksäule (nicht gezeigt) mechanisch gekoppelt sein, an deren Ende das Lenkrad angeordnet sein kann. Eine mechanische Kopplung zwischen der Welle 2 und der Lenksäule kann beispielsweise über auf diesen Komponenten angeordnete und ineinander greifende Zahnräder bereitgestellt werden. Der Magnet 4 kann somit über die Welle 2 und über die Lenksäule mechanisch mit dem Lenkrad gekoppelt sein. Da der Magnet 4 auf der Welle 2 fixiert ist, kann durch die mechanische Kopplung eine Drehbewegung des Magneten 4 auf einer Drehbewegung des Lenkrads basieren.
Die 2 zeigt einen Magneten 4 und mindestens einen Magnetfeldsensor 10, wie sie in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein können. Der Magnet 4 kann dem Magneten 4 der 1 ähnlich sein. Aus darstellerischen Gründen sind die Welle 2, das Gewinde 6 und das Gegenstück 8 der 1 in der 2 nicht gezeigt. Eine bereits oben beschriebene lineare Bewegung des Magneten 4 in der z-Richtung ist in der 2 durch einen senkrechten Pfeil angedeutet.
Der mindestens eine Magnetfeldsensor 10 kann dazu ausgelegt sein, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten 4 erzeugten Magnetfelds zu erfassen. Im Beispiel der 2 ist lediglich ein Magnetfeldsensor 10 gezeigt, der drei Sensorelemente 14 aufweisen kann, welche dazu ausgelegt sein können, die Magnetfeldkomponenten in der x-, y- und z-Richtung zu erfassen. In weiteren Beispielen gemäß der Offenbarung können mehrere Magnetfeldsensoren verwendet werden, beispielsweise zwei oder drei Magnetfeldsensoren. Eine Empfindlichkeit auf mehrere Komponenten des Magnetfelds lässt sich auch mit mehreren Magnetfeldsensoren erreichen, welche jeweils in orthogonalen Ebenen sensitiv sind. Bei dem Magnetfeldsensor 10 kann es sich um einen integrierten Schaltkreis handeln, so dass auch von einem Magnetfeldsensor-IC die Rede sein kann. Im Beispiel der 2 kann es sich bei dem Magnetfeldsensor 10 um einen Hall-Sensor bzw. einen Hall-IC handeln. In diesem Fall können die Sensorelemente 14 als Hall-Elemente bzw. Hall-Sensorelemente ausgeführt sein, welche in den Schaltkreis integriert sein können. In weiteren Beispielen kann es sich bei dem Magnetfeldsensor 10 um einen xMR-Sensor, insbesondere einen AMR-Sensor, einen GMR-Sensor oder einen TMR-Sensor, handeln. Der Magnetfeldsensor 10 kann beispielsweise auf einer Platine 12 montiert sein.
Die 3 zeigt einen Magneten 4, wie er in einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein kann. Im Beispiel der 3 kann es sich bei dem Magneten 4 um einen Ringmagneten mit einer diametralen Magnetisierung handeln. In einem weiteren Beispiel kann der Magnet 4 als Scheibenmagnet mit einer diametralen Magnetisierung ausgeführt sein. Der Magnet 4 kann zum Beispiel eine magnetische Koerzitivfeldstärke von größer als etwa 3·10⁵ A/m aufweisen. Ein beispielhafter Wert der magnetischen Koerzitivfeldstärke des Magneten 4 kann etwa 355000 A/m sein. Ein äußerer Durchmesser d des Magneten 4 kann zum Beispiel in einem Bereich von etwa 7 mm bis etwa 9 mm liegen. Ein beispielhafter Wert des äußeren Durchmessers d kann etwa 8 mm sein. Ein innerer Durchmesser des Magneten 4 kann zum Beispiel in einem Bereich von etwa 3 mm bis etwa 5 mm liegen. Ein beispielhafter Wert des inneren Durchmessers kann etwa 4 mm sein. Eine Höhe h des Magneten 4 kann zum Beispiel in einem Bereich von etwa 3 mm bis etwa 5 mm liegen. Ein beispielhafter Wert der Höhe h kann etwa 4 mm sein. Beispielhafte Werte für Restmagnetisierungen des Magneten 4 können sein: etwa 558,5175 mT bei etwa -40 Grad Celsius, etwa 515 mT bei etwa 25 Grad Celsius, etwa 431,3125 mT bei etwa 150 Grad Celsius.
Die Vorrichtung 400 der 4 kann einen Magneten 4 und einen Magnetfeldsensor 10 sowie eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Komponenten aufweisen. Im Beispiel der 4 kann ein Abstand ε zwischen einer Symmetrieachse des Magneten 4 und einer Drehachse der Vorrichtung 400 einen Wert von Null haben. Mit anderen Worten kann die Symmetrieachse des Magneten 4 mit der Drehachse zusammenfallen. Die Position des Magneten 4 kann durch drei Winkeln α, β und γ spezifiziert sein. In der 4 können der Nordpol und der Südpol des Magneten 4 rechts bzw. links angeordnet sein. Für die Winkel kann gelten: α = 0, β = 0 und γ = 0.
Der Magnetfeldsensor 10 kann zur Drehachse gekippt angeordnet sein. Eine solche Neigung des Magnetfeldsensors 10 kann durch drei Neigungsparameter x-Neigung, y-Neigung und z-Neigung spezifiziert sein. In der 4 kann jeder dieser Parameter einen Wert von Null haben. Der Magnetfeldsensor 10 kann zur Drehachse versetzt angeordnet sein. Der Versatz zwischen der Drehachse und dem Magnetfeldsensor 10 kann durch einen Parameter Δ spezifiziert sein. In der 4 kann der Parameter Δ einen Wert in einem Bereich von etwa 6 mm bis etwa 7 mm aufweisen. Ein beispielhafter Wert für Δ kann etwa 6,4 mm sein. Ein Luftspalt zwischen dem Magneten 4 und dem Magnetfeldsensor 10 kann durch einen Abstand in der z-Richtung spezifiziert sein.
Die Vorrichtung 400 kann dazu verwendet werden, den Drehwinkel eines (insbesondere automotiven) Bauteils, wie zum Beispiel eines Lenkrads zu bestimmen. Insbesondere kann die Vorrichtung 400 neben den bisher spezifizierten Komponenten eine Bestimmungseinheit (nicht gezeigt) aufweisen, welche dazu ausgelegt sein kann, einen Drehwinkel des Magneten 4 bzw. des damit mechanisch gekoppelten automotiven Bauteils basierend auf von dem Magnetfeldsensor 10 erfassten Magnetfeldkomponenten zu bestimmen. Bei der Bestimmungseinheit kann es sich beispielsweise um eines oder mehrere von einem Prozessor, einem Mikrocontroller, einer CPU, einem DSP, usw. handeln. Im Folgenden ist eine Bestimmung des Drehwinkels basierend auf Simulationsergebnissen erläutert, welche in den 5 bis 8 gezeigt sind.
Der Magnet 4 kann beispielsweise vier volle Umdrehungen (d.h. 1440 Grad) um die Rotationsachse ausführen. Die Drehbewegung des Magneten 4 kann dabei zum Beispiel auf der Drehbewegung eines Lenkrads basieren, wie bereits im Zusammenhang mit der 1 beschrieben. Die Drehbewegung des Magneten 4 kann durch eine Umwandlungseinheit (zum Beispiel ein Gewinde und ein Gegenstück, wie in der 1 gezeigt) in eine lineare Bewegung des Magneten 4 in der z-Richtung umgesetzt werden. Der Magnet 4 kann sich beispielsweise pro Umdrehung etwa 1,2 mm nach unten bewegen, wobei der Luftspalt zwischen dem Magneten 4 und dem Magnetfeldsensor 10 verkleinert werden kann. Insgesamt können die beispielhaften vier vollen Umdrehungen somit in eine lineare Bewegung von 4,8 mm nach unten umgesetzt werden. Nach zwei vollen Umdrehungen, d.h. bei 720 Grad, kann sich die Mitte des Magneten 4 bei einem z-Wert von etwa -2 mm befinden, was der z-Position des Magnetfeldsensors 10 entsprechen kann. An dieser Position kann die Magnetfeldkomponente B_z in der z-Richtung gleich Null sein.
Im Beispiel der 4 kann die Drehachse in der z-Richtung verlaufen. Für jeden Drehwinkel des Magneten 4 (und somit jedem Drehwinkel des automotiven Bauteils) kann der Magnetfeldsensor 10 die drei Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z des von dem Magneten 4 erzeugten Magnetfelds erfassen. Die 5 zeigt Verläufe der Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z am Ort des Magnetfeldsensors 10 bzw. am Ort seiner Sensorelemente 14 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Magneten 4. Bei den dargestellten Verläufen kann es sich insbesondere um Ergebnisse einer Simulation handeln, bei welcher der Magnet 4 um 1440 Grad gedreht wird und sich um eine Distanz von 4,8 mm in der z-Richtung bewegen kann. In der 5 kann jede der Magnetfeldkomponenten B_x, B_y und B_z einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweisen.
Die 6 zeigt eine Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels des (insbesondere automotiven) Bauteils. Die Abbildung kann durch die Bestimmungseinheit der Vorrichtung 400 bestimmt werden. Die gezeigte Abbildung kann einen Quotient B_z/B_x aus den erfassten Magnetfeldkomponenten B_z und B_x auf den Drehwinkel des Magneten 4 eindeutig abbilden. Zum Bestimmen der Abbildung der 6 kann der Magnetfeldsensor 10 also insbesondere dazu ausgelegt sein, die zwei Magnetfeldkomponenten B_z und B_x zu erfassen. Die in der 6 gezeigte Kurve kann einen im Wesentlich linearen Verlauf aufweisen und bei einem Drehwinkel von 720 Grad einen Wert von Null haben. Die Kurve zeigt, dass über die vier vollen Umdrehungen (d.h. über die vollen 1440 Grad) jeder Winkel des Magneten 4 einem eindeutigen Wert auf der vertikalen Achse entspricht. Im Beispiel der 6 kann die Auflösung (bzw. eine Berechnung des Winkels als ATAN oder ATAN2) so gewählt sein, dass die Werte auf der vertikalen Achse zwischen -40 (Grad) und +40 (Grad) liegen. Diese Auflösung kann durch Verwendung der ATAN- oder ATAN2-Funktion oder als Quotient von zwei Magnetfeldkomponenten erreicht werden. Der Winkel von 0 Grad auf der vertikalen Achse kann dabei einem Drehwinkel von 720 Grad entsprechen, wenn der Magnet 4 exakt neben dem Magnetfeldsensor 10 positioniert ist. Hierdurch kann sich eine Auflösung von 1440 Grad/80 Grad, also 18, ergeben. Da die Kurve auf einem Quotienten von Magnetfeldkomponenten basiert, kann die Abbildung unabhängig von einer Variation der Magnetstärke und einer Variation der Temperatur sein.
Die Abbildung der 6 bzw. ihre Auflösung kann ausreichend genau sein, um die spezifische Umdrehung des Magneten 4 (d.h. die erste Umdrehung, die zweiten Umdrehung, die dritte Umdrehung, usw.) zu bestimmen. Ferner können durch die Abbildung der 6 hinreichend genau halbe Umdrehungen und Viertelumdrehungen des Magneten 4 bestimmt werden. Die Bestimmungseinheit der Vorrichtung 400 kann dazu ausgelegt sein, den Drehwinkel des Magneten 4 bzw. des mit diesem mechanisch gekoppelten Bauteils basierend auf der ersten Abbildung zu bestimmen.
Eine genauere Auflösung lässt sich beispielsweise durch die in der 7 gezeigte Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels des (insbesondere automotiven) Bauteils erreichen. Die Abbildung kann durch die Bestimmungseinheit der Vorrichtung 400 bestimmt werden. Die gezeigte Abbildung kann einen Quotienten B_y/B_x aus den erfassten Magnetfeldkomponente B_y und B_x, oder eine Arkustangensfunktion des Quotienten, auf den Drehwinkel des Magneten 4 abbilden. Zum Bestimmen der Abbildung der 7 kann der Magnetfeldsensor 10 also insbesondere dazu ausgelegt sein, die zwei Magnetfeldkomponenten B_y und B_x zu erfassen. Die in der 7 gezeigte Kurve kann Polstellen bei den Drehwinkeln 90 Grad, 270 Grad, 450 Grad, usw. aufweisen. Ferner kann die Kurve acht ähnliche und sich wiederholende Intervalle bzw. Abschnitte aufweisen.
Im Vergleich zur 6 kann die Abbildung der 7 eine höhere Auflösung bereitstellen. Im Beispiel der 7 kann die Winkelangabe auf der vertikalen Achse vergleichsweise hoch sein, wobei 180 Grad auf der horizontalen Achse 180 Grad auf der vertikalen Achse entsprechen können. Hieraus kann sich eine Auflösung von 180 Grad/180 Grad, also 1, ergeben. Analog zur 6 kann die Kurve der 7 unabhängig von einer Variation der Magnetstärke und einer Variation der Temperatur sein.
Die Bestimmungseinheit der Vorrichtung 400 kann dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel des Magneten 4 bzw. des mit diesem mechanisch gekoppelten automotiven Bauteils basierend auf den Abbildungen der 6 und 7 zu bestimmen. Dabei kann mit Hilfe der Abbildung der 6 das richtige der acht Intervalle der 7 ermittelt werden. Ferner kann dann mit Hilfe der Abbildung der 7 der Drehwinkel des automotiven Bauteils eindeutig bestimmt werden. Im beschriebenen Beispiel der 6 und 7 kann die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt sein, den absoluten Drehwinkel für vier Umdrehungen des Magneten 4 zu bestimmen. In weiteren Beispielen kann die Bestimmungseinheit allgemeiner dazu ausgelegt sein, den absoluten Drehwinkel für bis zu zehn vollständige Umdrehungen eindeutig zu bestimmen. Es ist anzumerken, dass prinzipiell auch (hoch präzise) der lineare Vorschub (bzw. eine Größe der linearen Bewegung) bestimmt werden kann (z.B. bei einem Ventil), da Drehwinkel und linearer Vorschub über das Gewinde verknüpft sein können. Somit kann neben einer Drehwinkelmessung auch eine präzise lineare Wegmessung möglich sein. Bei etwaigem Gewindespiel kann bei einer Umkehr der Drehrichtung auch das Gewindespiel korrigiert werden, beispielsweise durch eine Software.
Die 8 zeigt eine weitere Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels des (insbesondere automotiven) Bauteils. Die Abbildung kann durch die Bestimmungseinheit der Vorrichtung 400 bestimmt werden. Die gezeigte Abbildung kann eine Arkustangensfunktion (Atan2) eines Quotienten B_y/B_x aus den Magnetfeldkomponente B_y und B_x auf den Drehwinkel des Magneten 4 abbilden. Der Drehwinkel des Magneten 4 kann basierend auf den Abbildungen der 6 und 8 bestimmt werden.
Die 9 zeigt eine auf Messergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines (insbesondere automotiven) Bauteils. Die gemessene Kurve der 9 kann insbesondere der simulierten Kurve der 6 entsprechen. Die Abbildung der 9 kann einen Quotienten B_z/B_x aus den erfassten Magnetfeldkomponenten B_z und B_x auf den Drehwinkel des Magneten 4 eindeutig abbilden. Bei der Messung können sich für die Winkel, bei denen die Magnetfeldkomponente B_x einen Wert von Null aufweist, Polstellen ergeben. Diese Polstellen können durch eine Nachbearbeitung der gemessenen Kurve korrigiert werden. Im Vergleich zur 9 kann das Simulationsergebnis der 6 keine derartigen Polstellen aufweisen. Polstellen lassen sich darüber hinaus auch durch ein Verkippen des Sensors gegen die Rotationsachse erreichen, wie weiter unten noch ausgeführt wird.
Die 10 zeigt eine auf Messergebnissen basierende Abbildung zur Bestimmung eines Drehwinkels eines (insbesondere automotiven) Bauteils. Die Abbildung der 10 kann eine Arkustangensfunktion (Atan2) eines Quotient B_y/B_x aus den gemessenen Magnetfeldkomponenten B_y und B_x auf den Drehwinkel des Magneten 4 abbilden.
Gemäß den obigen Ausführungen können die hierin beschriebenen Vorrichtungen den absoluten Drehwinkel des Magneten 4 bzw. eines damit mechanisch gekoppelten (insbesondere automotiven) Bauteils über mehrere Umdrehungen bestimmen. Die absolute Winkelinformation kann direkt nach dem Einschalten des Zündschlüssels des Fahrzeugs zur Verfügung stehen, ohne dass dabei eine Lenkradbewegung oder eine andere Initialisierungsprozedur, zum Beispiel ein erstes Anfahren eines Referenzpunktes, notwendig sein muss. Diese Eigenschaft kann als „True-Power-On“ bezeichnet werden. Die „True-Power-On“-Eigenschaft kann gemäß der Offenbarung auch zur Verfügung stehen, nachdem die Batterie des Fahrzeugs in einer Werkstatt abgeklemmt worden sein kann.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können die „True Power On“-Eigenschaft ohne die Notwendigkeit einer Umdrehungszählung oder eines Speichers bereitstellen. Dabei können die Vorrichtungen lediglich einen einzigen Magneten und einen einzigen Magnetfeldsensor benötigen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen können die Vorrichtungen gemäß der Offenbarung weniger ADCs, weniger digitale Ports, weniger Drähte, weniger Stecker, weniger Zahnräder, usw. aufweisen. Hierdurch können Systemkosten und Platz eingespart werden. Die beschriebene Bestimmung des absoluten Drehwinkels kann auf eine temperaturunabhängige Weise durchgeführt werden.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Drehwinkels eines (insbesondere automotiven) Bauteils. Das Verfahren kann beispielsweise durch eine der hierin beschriebenen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung durchgeführt werden. Das Verfahren kann somit in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Beispielen gelesen werden.
Bei 16 kann ein Magnet mit einem (insbesondere automotiven) Bauteil mechanisch gekoppelt werden, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des automotiven Bauteils basiert. Bei 18 können zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds erfasst werden. Bei 20 kann die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem Magnetfeldsensor umgewandelt werden.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung. Das Verfahren kann beispielsweise dazu verwendet werden jede der hierin beschriebenen Vorrichtungen gemäß der Offenbarung zu fertigen. Das Verfahren kann somit in Verbindung mit jeder der vorhergehenden Figuren gelesen werden.
Bei 22 kann ein Magnet bereitgestellt werden, welcher mit einem automotiven Bauteil mechanisch gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des automotiven Bauteils basiert. Bei 24 kann ein Magnetfeldsensor bereitgestellt werden, welcher dazu ausgelegt ist, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds zu erfassen. Bei 26 kann eine Umwandlungseinheit bereitgestellt werden, welche dazu ausgelegt ist, die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem Magnetfeldsensor umzuwandeln.
Beispiele
Im Folgenden werden Vorrichtungen gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine Vorrichtung, umfassend: einen Magneten, welcher mit einem Bauteil mechanisch gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des Bauteils basiert; mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher dazu ausgelegt ist, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds zu erfassen; und eine Umwandlungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor umzuwandeln.
Beispiel 2 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 1, wobei das Bauteil ein automotives Bauteil umfasst.
Beispiel 3 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei das Bauteil ein Lenkrad umfasst.
Beispiel 4 ist eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: eine Bestimmungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, einen Drehwinkel des Bauteils basierend auf den zumindest zwei erfassten Magnetfeldkomponenten zu bestimmen.
Beispiel 5 ist eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine Größe der linearen Bewegung dem Drehwinkel des Bauteils eindeutig zuordenbar ist.
Beispiel 6 ist eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: eine Welle, wobei der Magnet auf der Welle fixiert ist und eine Drehbewegung der Welle an eine Drehbewegung des Bauteils gekoppelt ist.
Beispiel 7 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 6, wobei die Welle mit einer Lenksäule mechanisch gekoppelt ist.
Beispiel 8 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 6 oder 7, wobei die Umwandlungseinheit ein auf der Welle angeordnetes Gewinde und ein mit dem Gewinde wechselwirkendes Gegenstück umfasst.
Beispiel 9 ist eine Vorrichtung nach einem der Beispiele 6 bis 8, wobei: eine Drehachse der Welle in einer ersten Richtung verläuft, und der mindestens eine Magnetfeldsensor dazu ausgelegt ist, eine erste Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung und eine zweite Magnetfeldkomponente in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung zu erfassen.
Beispiel 10 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 9, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor zur Drehachse der Welle versetzt und/oder gekippt angeordnet ist.
Beispiel 11 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 9 oder 10, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, eine erste Abbildung zu bestimmen, wobei die erste Abbildung einen ersten Quotienten aus der erfassten ersten Magnetfeldkomponente und der erfassten zweiten Magnetfeldkomponente oder eine Arkustangensfunktion des ersten Quotienten auf den Drehwinkel des Bauteils eindeutig abbildet.
Beispiel 12 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 11, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel des Bauteils basierend auf der ersten Abbildung zu bestimmen.
Beispiel 13 ist eine Vorrichtung nach einem der Beispiele 9 bis 12, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor ferner dazu ausgelegt ist, eine dritte Magnetfeldkomponente in einer zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung zu erfassen.
Beispiel 14 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 13, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, eine zweite Abbildung zu bestimmen, wobei die zweite Abbildung einen zweiten Quotienten aus der erfassten dritten Magnetfeldkomponente und der erfassten zweiten Magnetfeldkomponente oder eine Arkustangensfunktion des zweiten Quotienten auf den Drehwinkel des Bauteils abbildet.
Beispiel 15 ist eine Vorrichtung nach Beispiel 14, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel des Bauteils basierend auf der ersten Abbildung und der zweiten Abbildung zu bestimmen.
Beispiel 16 ist eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Magnet zumindest eines von einem Ringmagnet oder einem Scheibenmagnet mit einer diametralen Magnetisierung umfasst.
Beispiel 17 ist eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel und/oder eine Größe der linearen Bewegung für bis zu zehn vollständige Umdrehungen des Bauteils eindeutig zu bestimmen.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sind, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen Magneten, welcher mit einem Bauteil mechanisch gekoppelt ist, wobei eine Drehbewegung des Magneten auf einer Drehbewegung des Bauteils basiert; mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher dazu ausgelegt ist, zumindest zwei Magnetfeldkomponenten eines durch den Magneten erzeugten Magnetfelds zu erfassen; und eine Umwandlungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Drehbewegung des Magneten in eine lineare Bewegung des Magneten relativ zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bauteil ein automotives Bauteil umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil ein Lenkrad umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Bestimmungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, einen Drehwinkel des Bauteils basierend auf den zumindest zwei erfassten Magnetfeldkomponenten zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Größe der linearen Bewegung dem Drehwinkel des Bauteils eindeutig zuordenbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Welle, wobei der Magnet auf der Welle fixiert ist und eine Drehbewegung der Welle an eine Drehbewegung des Bauteils gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Welle mit einer Lenksäule mechanisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Umwandlungseinheit ein auf der Welle angeordnetes Gewinde und ein mit dem Gewinde wechselwirkendes Gegenstück umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei: eine Drehachse der Welle in einer ersten Richtung verläuft, und der mindestens eine Magnetfeldsensor dazu ausgelegt ist, eine erste Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung und eine zweite Magnetfeldkomponente in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor zur Drehachse der Welle versetzt und/oder gekippt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, eine erste Abbildung zu bestimmen, wobei die erste Abbildung einen ersten Quotienten aus der erfassten ersten Magnetfeldkomponente und der erfassten zweiten Magnetfeldkomponente oder eine Arkustangensfunktion des ersten Quotienten auf den Drehwinkel des Bauteils eindeutig abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel des Bauteils basierend auf der ersten Abbildung zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor ferner dazu ausgelegt ist, eine dritte Magnetfeldkomponente in einer zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, eine zweite Abbildung zu bestimmen, wobei die zweite Abbildung einen zweiten Quotienten aus der erfassten dritten Magnetfeldkomponente und der erfassten zweiten Magnetfeldkomponente oder eine Arkustangensfunktion des zweiten Quotienten auf den Drehwinkel des Bauteils abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel des Bauteils basierend auf der ersten Abbildung und der zweiten Abbildung zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet zumindest eines von einem Ringmagnet oder einem Scheibenmagnet mit einer diametralen Magnetisierung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungseinheit dazu ausgelegt ist, den Drehwinkel und/oder eine Größe der linearen Bewegung für bis zu zehn vollständige Umdrehungen des Bauteils eindeutig zu bestimmen.