EP3469312A1 - 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

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Publication number
EP3469312A1
EP3469312A1 EP17721697.5A EP17721697A EP3469312A1 EP 3469312 A1 EP3469312 A1 EP 3469312A1 EP 17721697 A EP17721697 A EP 17721697A EP 3469312 A1 EP3469312 A1 EP 3469312A1
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EP
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magnetic field
sensor
joint
sensor arrangements
arrangements
Prior art date
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Ceased
Application number
EP17721697.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Bäumer
Henner Aßmann
Josef Holtheide
Hermann Frye
Julian Stratmann
Thorsten Sander
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
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    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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    • B60G17/019—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the type of sensor or the arrangement thereof
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    • F16C11/0619—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints the female part comprising a blind socket receiving the male part
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    • F16C11/0628—Construction or details of the socket member with linings
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G2401/17—Magnetic/Electromagnetic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16C2233/00—Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the relative position of two movably connected joint parts of a joint, with a magnet connected to a first of the joint parts and causing a local magnetic field, a plurality of sensor arrangements connected to a second of the joint parts and flooded by a resulting magnetic field is formed at least by the local magnetic field from which the sensor arrangements are flooded in different directions, wherein by means of each of the sensor arrangements, the resulting magnetic field at the location of the respective sensor arrangement detected and at least one of the resulting magnetic field at the location of the respective sensor arrangement characterizing sensor signal can be generated, and one with the sensor arrangements associated evaluation device, by means of which, under evaluation of the sensor signals at least one characterize the position of the first joint part relative to the second joint part nde position information is rashbar. Furthermore, the invention relates to a method for determining the relative position of two movably connected joint parts of a joint.
  • Chassis components in particular ball joints, have inter alia the task of resiliently supporting the chassis of a vehicle on the vehicle wheels.
  • the components of the chassis adapt to the road condition and the respective driving condition, so that the vehicle occupant is offered a high level of safety.
  • An important role is played by joints and handlebars, which take on the task of suspension and enable steering.
  • an external level sensor which detects the compression travel on the front axle and the rear axle of a vehicle to detect the state or the angular position of suspension components.
  • a headlamp leveling can be realized.
  • the angular position of a joint can be recorded by an electrical evaluation device and / or a sensor device.
  • a height detection can be realized or by means of active suspension control, the damping of a vehicle can be adapted to the road conditions.
  • an electrical receiving unit in a chassis component for example in a ball joint, it requires space for the associated electrical components and their cable management.
  • a magnetic field sensor measures the angle, for example, between a ball stud and a housing of a ball joint, in that the magnetic field sensor installed in a closure lid of the housing evaluates the magnetic field of a magnet located in the ball stud.
  • articulated joints installed in a chassis, are subject to the disturbing influence of electromagnetic fields. These are caused by electrical lines or consumers such as an electric motor, which are located near the sensor. If a magnetic field sensor (for example a Hall sensor) is used, this measures both the magnetic field of the magnet in the chassis link (for example in the ball joint or rubber mount) and the interference magnetic field applied from outside. The angle signal is thus corrupted.
  • a magnetic field sensor for example a Hall sensor
  • the invention has the object to be able to avoid the influence of magnetic field generating interference field sources on the formation of the position information.
  • the device for determining the relative position of two moveably connected joint parts of a joint comprises one or at least one magnet connected to a first joint part or a first joint part and causing a local magnetic field, a plurality of magnets connected to a second joint part or a second one of the joint parts sensor arrays flooded by a resulting magnetic field formed by at least the local magnetic field from which the sensor arrays are different Are flooded directions, wherein by means of each of the sensor arrangements, the resulting magnetic field at the location of the respective sensor arrangement detected and one or at least one of the resulting magnetic field at the location of the respective sensor arrangement characterizing sensor signal can be generated, and connected to the sensor arrangements evaluation, by means of which under evaluation of Sensor signals one or at least one of the position of the first joint part relative to the second joint part characterizing position information is formed, wherein the resulting magnetic field is formed by an overlay of the local magnetic field with one or at least one disturbing magnetic field, of which the sensor arrangements in or approximately in the same direction are flooded, by means of each of the sensor arrangements, the
  • the invention is based on the finding that the disturbance magnetic field is usually caused by a relatively distant Störfeld provoke, so that the sensor arrays are flooded in or approximately in the same direction of the disturbance magnetic field, whereas the local magnetic field of the relatively near magnet, the sensor arrays in the Usually flooded in different directions.
  • the resulting magnetic field and / or the direction of the resulting magnetic field in different spatial directions and preferably at different locations, which are in particular close to each other, preferably by or subtraction of the sensor signals or these characterizing values, consider and / or eliminate and / or eliminate and / or at least reduce the influence of the disturbance magnetic field on the sensor arrangements and / or on the sensor signals in the formation of the position information.
  • the sensor arrangements are always flooded by the resulting magnetic field.
  • the statement that the sensor arrangements are or are flooded in different directions by the local magnetic field is therefore to be understood as meaning that the local magnetic field is considered by itself, ie without a disturbing magnetic field.
  • the statement that the sensor arrangements are or are flooded in or in approximately the same direction by the interference magnetic field is preferably to be understood in such a way that the interference magnetic field is considered on its own, ie without a local magnetic field.
  • the number of sensor arrangements is preferably two.
  • one or at least a first of the sensor signals can be generated by means of a first of the sensor arrangements.
  • one or at least a second of the sensor signals can be generated by means of a second of the sensor arrangements.
  • the magnet is preferably a permanent magnet.
  • a power supply for the magnet can be omitted.
  • the magnet is e.g. designed as an electromagnet.
  • the joint parts are in particular articulated and / or rotatable and / or pivotally connected to each other.
  • the magnet is fixed and / or rigidly connected to the first joint part.
  • the sensor arrangements are advantageously firmly and / or rigidly connected to the second joint part.
  • the position information can be generated by means of the evaluation device in the form of one or at least one position signal.
  • the signals i.
  • the sensor signals and / or the position signal are preferably electrical signals.
  • the directions are advantageously spatial directions and / or spatial directions.
  • the position information is, in particular, information about one or at least one angle about which the first joint part is deflected and / or pivoted and / or rotated relative to the second joint part, preferably starting from a reference position, which is also referred to as a rest position or zero position.
  • the position information is thus preferably also referred to as angle information.
  • the position signal is preferably referred to as an angle signal.
  • the relative position of the two joint parts relative to each other relates in particular to the or an angle and is preferably also referred to as deflection and / or pivoting and / or rotation of the two joint parts to each other, preferably with respect to or a reference position.
  • the interference magnetic field is or is caused by one or at least one interference field source.
  • the interference field source is e.g. by one or more electrical leads and / or by one or more electrical consumers, e.g. an electric motor, formed.
  • the distance of the interference field source to the sensor arrangements is preferably greater or much greater than the distance of the magnet to the sensor arrangements.
  • the distance of the interfering field source to the sensor arrays is several cm, e.g. 5cm, whereas the distance of the magnet to the sensor arrangements is a few mm, e.g. about 2.5mm.
  • the two distances least differ by a factor of 10. This leads, in particular, to the fact that the interference magnetic field flows through the sensor arrangements in or in approximately the same direction.
  • the sensor arrangements are preferably arranged next to one another and / or at a distance from one another.
  • the sensor arrangements are advantageously arranged at different locations. This leads in particular to the fact that the local magnetic field flows through the sensor arrangements in different directions.
  • the sensor arrangements are arranged in close spatial proximity to one another. This contributes in particular to the fact that the interference magnetic field flows through the sensor arrangements in or in approximately the same direction. Furthermore, this contributes in particular to the fact that both sensor arrangements can detect the local magnetic field equally well or approximately equally well.
  • Each of the sensor arrangements preferably comprises a plurality of, preferably two or three, magnetic-field-sensitive sensor elements, such as Hall elements.
  • the sensor elements of each sensor arrangement are assigned to different spatial directions and / or oriented in different spatial directions.
  • the spatial directions are preferably aligned perpendicular to each other.
  • the spatial directions are not parallel and / or not coplanar.
  • Each of the sensor arrangements is e.g. in the form of a sensor module.
  • Each sensor module in particular comprises a module housing in which the respective sensor arrangement is arranged.
  • each module housing preferably comprises electrical contacts, via which the respective sensor signal can be tapped off and / or a power supply for the respective sensor arrangement can be connected.
  • the sensor arrangements are e.g. united in a single sensor module, which in particular comprises a module housing in which the sensor arrangements are arranged.
  • the module housing preferably comprises electrical contacts, via which the sensor signals can be tapped off and / or a power supply for the sensor arrangements can be connected.
  • the sensor arrangements can be arranged even closer to each other. In particular, the influence of the disturbance magnetic field can be further reduced. Furthermore, a possibly required synchronization of the sensor arrangements can be omitted.
  • the or each of the sensor arrangements and / or the or each sensor module comprise one or at least one temperature compensation unit and / or one or at least one analog-to-digital converter and / or one or more other electrical components.
  • signal conditioning is already possible in the or each of the sensor arrangements and / or in the or each sensor module.
  • the resulting magnetic field and / or its direction can be detected at the location of the respective sensor arrangement in at least two, preferably in three different directions or spatial directions, which in particular do not lie in the same plane.
  • Such sensor arrangements are known from the prior art and are referred to, for example, as 3D magnetic sensors.
  • the one from Infineon Technologies AG offered sensor module with the name TLV493D-A1 B6 such a 3D magnetic sensor.
  • the three different directions or spatial directions are in particular perpendicular to each other.
  • the evaluation device comprises a correction unit.
  • the correction unit preferably comprises or is formed by a digital computer or microcontroller.
  • the correction unit preferably comprises a storage unit.
  • the correction unit comprises e.g. an analog computer or is formed by this.
  • the evaluation device and / or the correction unit comprises a computing unit and / or the or a memory unit.
  • the sensor signals can be evaluated by means of the evaluation device and / or the arithmetic unit and / or the position information can be formed.
  • the influence of the disturbance magnetic field on the sensor arrangements and / or on the sensor signals in the formation of the position information can be considered and / or eliminated and / or eliminated and / or at least reduced by means of the arithmetic unit, in particular by or by differentiating the sensor signals or these characterizing values .
  • the evaluation device and / or the arithmetic unit preferably comprises or is formed by the or a digital computer or microcontroller.
  • the evaluation device and / or the arithmetic unit comprises, for example, the or an analog computer or is formed by this.
  • the correction unit comprises the arithmetic unit and / or the correction unit is e.g. formed by the arithmetic unit.
  • a map is stored. Values which characterize the sensor signals at predetermined positions of the first articulated part relative to the second articulated part, preferably without interference magnetic field, are preferably in the characteristic field. assigned, which characterize these layers.
  • the map preferably comprises a plurality of map-position vectors, which characterize different predetermined positions of the first joint part relative to the second joint part. These predetermined positions are also referred to as map maps in particular.
  • the characteristic map position vectors in particular as a function of the degrees of freedom of the joint and / or as a function of and / or in accordance with the spatial directions to be considered for the description of the layers or characteristic map layers, have one, at least one or more characteristic map position values Components on. If the characteristic map position vectors each have only one characteristic map position value as a component, the map position vectors are preferably replaced by the map position values. In this case, the structure of the map simplifies.
  • the map comprises a plurality of map sensor signal vectors, which characterize the sensor signals at the different map layers.
  • the map sensor signal vectors have, in particular as a function of and / or in accordance with the spatial directions to be considered by means of the sensor arrangements, two, at least two, three or more characteristic field sensor signal values as components.
  • the map sensor signal vectors are preferably assigned to the sensor arrangements.
  • each map sensor signal vector is assigned to one or exactly one of the sensor arrangements.
  • the characteristic map sensor signal vectors are preferably assigned to the characteristic map position vectors or characteristic map position values in the characteristic field.
  • each characteristic map sensor signal vector is assigned to one or exactly one characteristic map position vector or characteristic map position value in the characteristic map.
  • each characteristic map position vector or map position value two, at least two, three or more of the characteristic field sensor signal vectors are assigned.
  • map sensor signal vectors which are assigned to the same map position are in particular combined to form a map sensor signal vector tuple.
  • the number of characteristic field sensor signal vectors associated with the same characteristic map position corresponds in particular to the number of sensor arrangements whose preferred number is equal to two.
  • the characteristic field sensor signal vector tuple forms a characteristic field sensor signal vector pair.
  • the map sensor signal vectors of the map sensor signal vector pairs or tuples are assigned to the sensor arrangements.
  • each map sensor signal vector of each map sensor signal vector pair or tuple is associated with one or just one of the sensor arrays.
  • the map sensor signal vectors of each map sensor signal vector pair or tuple are associated with different ones of the sensor arrangements.
  • the map sensor signal vector pairs or tuples are associated with the map layers.
  • each map sensor signal vector pair or tuple is assigned to one or exactly one map location.
  • each map location is assigned to one or exactly one map sensor signal vector pair or tuple.
  • the map is or is detected in particular by measuring and / or detection of the local magnetic field by means of the sensor arrangements in each of the different map layers.
  • the map is preferably predetermined and / or is preferably determined in advance.
  • the characteristic map is or is detected and / or formed exclusively on the basis of the local magnetic field and / or without the influence of or a disturbing magnetic field.
  • the map is thus preferably free of interference magnetic field.
  • the earth's magnetic field is not considered to be a disturbing magnetic field and thus may be superimposed on the local magnetic field, since the earth's magnetic field is preferably much weaker than the local magnetic field and thus the measurement is only slightly, i.e. within tolerable limits.
  • the influence of the disturbance magnetic field on the sensor arrangements and / or on the sensor signals in the formation of the position information by or by reference and / or Access to the map and / or by taking account of the map and considered and / orNorechenbar and / or eliminated and / or at least reduced.
  • the sensor signals generated by means of the sensor arrangements in the presence of or a fault magnetic field are referred to in particular as actual sensor signals and preferably each comprise a plurality of actual sensor values.
  • each of the actual Sensor signals associated with a plurality of the actual sensor values in particular in dependence on and / or in accordance with the spatial directions to be considered by means of the sensor arrangements.
  • Those actual sensor values that are assigned to one or exactly one actual sensor signal in particular, form an actual sensor signal vector.
  • a plurality of actual sensor signal vectors are formed or formed, the number of which corresponds in particular to the number of sensor arrangements. In the following it is assumed that the number of sensor arrangements is equal to two. With each detection of the resulting magnetic field by means of the sensor arrangements, two actual sensor signal vectors are or are thus preferably formed or can be formed, which are or are combined in particular to form an actual sensor signal vector pair.
  • an actual sensor signal difference vector is preferably formed.
  • the or each actual sensor signal difference vector is thus preferably free of the influence of the disturbance magnetic field.
  • the map sensor signal difference vectors can already be stored in the map or can only be formed during ongoing operation and / or during the calculation.
  • a matching characteristic map sensor signal difference vector is sought, which coincides with the actual sensor signal difference vector or is close to or closest thereto.
  • plausibility checks can be carried out. If this matching characteristic field sensor signal difference vector is found, then the characteristic map position vector or map position value which forms the characteristic field sensor signal vector pair in the characteristic field forms is assigned from the map sensor signal vectors of the appropriate map sensor signal difference vector was formed, in particular information about the current position of the first joint part relative to the second joint part and thus the or a position information.
  • the position information can be corrected as a function of the deviation of the actual sensor signal difference vector to the matching characteristic field sensor signal difference vector.
  • the evaluation device is preferably provided outside the joint and / or at a distance from the joint.
  • the evaluation device is e.g. provided on or in the joint and / or integrated into the joint.
  • the joint is or is preferably a ball joint, a ball and socket joint or an elastomer or rubber mount.
  • the joint is preferably provided for a vehicle and / or installed in a vehicle.
  • the joint is provided for a chassis and / or a suspension of the vehicle and / or incorporated in a chassis and / or a suspension of the vehicle.
  • the vehicle is preferably a land vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the first joint part forms a ball pin having a joint ball, on or in the joint ball of the magnet is arranged.
  • the second joint part preferably forms a joint housing, wherein the ball pin with its joint ball is movable, preferably rotatable and / or pivotable, mounted in the joint housing and extending through a pin opening provided in this out of the joint housing.
  • the joint thus forms in particular a ball joint.
  • the sensor arrangements are arranged on a housing cover of the joint housing which in particular closes a mounting opening of the joint housing opposite the journal opening.
  • the first hinge part forms a ball sleeve with a spherical bearing surface, wherein the magnet is arranged on or in the ball sleeve, and wherein the second hinge part forms a joint housing, in which the ball sleeve is movably mounted with its ball-like bearing surface and at least an opening provided in this opening extends out of the joint housing.
  • the joint thus forms in particular a so-called ball sleeve joint.
  • one of the hinge parts forms an inner part and the other of the hinge parts an outer sleeve surrounding the inner part, wherein between the inner part and the outer sleeve, an elastomer body is arranged, which surrounds the inner part, in particular at least partially.
  • the inner part forms e.g. a sleeve or inner sleeve.
  • the inner part is preferably connected to the outer sleeve by or via the elastomer body.
  • the inner part and the outer sleeve preferably extend in an axial direction.
  • the outer sleeve is rotatable relative to the inner part about an axis of rotation extending in the axial direction, in particular under elastic deformation of the elastomer body.
  • the joint preferably forms an elastomeric bearing or rubber bearing.
  • the first hinge part is connected to one or a first machine part.
  • This machine part is in particular a vehicle component, for example a vehicle body, a subframe, a subframe or a chassis component, such as e.g. a suspension handlebar, a tie rod, a roll stabilizer or a wheel carrier.
  • the suspension link is for example a trailing arm or a control arm.
  • the second hinge part is connected to one, another or a second machine part.
  • This machine part is in particular a vehicle component, for example a vehicle body, a subframe, a subframe or a chassis component, such as a suspension arm, a tie rod, a roll stabilizer or a wheel carrier.
  • the suspension link is for example a trailing arm or a control arm.
  • the first joint part is preferably made of plastic or of metal, for example of aluminum, magnesium or an iron material, such as steel.
  • the second joint part is preferably made of plastic or of metal, for example of aluminum, magnesium or an iron material, such as steel.
  • the invention further relates to a method for determining the relative position of two hingedly connected joint parts of a joint, wherein with a first joint part or a first of the joint parts one or at least one magnet is connected, which causes a local magnetic field, with a second joint part or a second of the joint parts are connected to a plurality of sensor arrays flooded by a resulting magnetic field, which is formed by at least the local magnetic field from which the sensor arrays are flooded in different directions, wherein detected by means of each of the sensor arrays the resulting magnetic field at the location of the respective sensor array and at least one resulting magnetic field is generated at the location of the respective sensor arrangement characterizing sensor signal, under evaluation of the sensor signals one or at least one characterizing the position of the first joint part relative to the second joint part
  • the resulting magnetic field is formed by a superposition of the local magnetic field with one or at least one perturbing magnetic field from which the sensor arrays are flooded in or approximately in the same direction, by means of each of the sensor arrays the resulting magnetic field and
  • the method can be developed in accordance with all embodiments explained in connection with the device. Furthermore, the device can be developed in accordance with all the embodiments explained in connection with the method. The method is preferably carried out by means of the device. In particular, the device is used for carrying out the method.
  • the number of sensor arrangements is preferably two.
  • one or at least a first of the sensor signals is generated by means of a first of the sensor arrangements.
  • one or at least a second of the sensor signals is generated by means of a second of the sensor arrangements.
  • the position information in particular by means of the or an evaluation device, is preferably generated in the form of one or at least one position signal.
  • the interference magnetic field is caused by the or one or at least one interference field source.
  • the distance of the interference field source to the sensor arrangements is preferably greater or much greater than the distance of the magnet to the sensor arrangements.
  • the resulting magnetic field and / or its direction at the location of the respective sensor arrangement is detected in at least two, preferably in three different directions or spatial directions by means of each of the sensor arrangements, which in particular do not lie in the same plane.
  • the three different directions or spatial directions are in particular perpendicular to each other.
  • the or a map is or will be deposited.
  • the influence of the disturbing magnetic field on the sensor arrangements and / or on the sensor signals in the formation of the position information by or with reference to and / or access to, is preferably, in particular by means of the evaluation device, preferably by or by differentiation of the sensor signals or these characterizing values Map and / or by or taking into account the map, taken into account and / or eliminated and / or eliminated and / or at least reduced.
  • two sensor arrangements arranged close to one another are used for the measurement. These are particularly covered by the local Chen magnetic field of the first joint part (eg ball pin) provided magnet and flooded by the pending from the outside interference magnetic field.
  • the interference field source of the interference magnetic field preferably has a significantly greater distance to the sensor arrangements than the magnet located on the first joint part (reference object).
  • the sensor arrangements are preferably designed as 3D magnetic sensors, so that by means of each of the sensor arrangements, the magnetic field direction of the resulting magnetic field at the location of the respective sensor arrangement in particular in the x, y and z direction of a preferably Cartesian coordinate system can be determined.
  • a determination of two spatial directions is sufficient if it is possible to measure in the XY direction or in the YZ direction. Due to the greater distance of the interference magnetic field to the sensor arrays they are flooded by the disturbance magnetic field, in particular in the almost identical direction. In other words, the magnetic field lines of the local magnetic field preferably pass through the sensor arrays at a different angle. In particular, mathematical calculations are used to calculate the influence of the disturbance magnetic field on the magnetic field sensors.
  • FIG. 1 is a schematic and partially sectioned view of a device according to an embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view of a ball joint shown in FIG. 1;
  • FIG. 2 is a perspective view of a ball joint shown in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a schematic representation of an apparent from Fig. 1 and arranged in the ball joint magnet
  • FIG. 5 shows a schematic representation of sensor arrangements shown in FIG. 1, together with the magnet and an interference field source
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the sensor arrangements with the interference field source
  • FIG. 7 is a schematic plan view of a sensor module comprising the sensor module and
  • Fig. 8 is a schematic representation of a map.
  • a ball joint 1 has a joint housing 2 and a ball joint 4 comprising a ball joint 4, which forms a first joint part and with its joint ball 3 with the interposition of a bearing shell.
  • 5 is rotatably and pivotally mounted in the joint housing 2 and extends through a provided in this pin opening 6 passes out of the joint housing 2, which forms a second hinge part.
  • the joint housing 2 is provided with a mounting opening 7, which is closed by a housing cover (closure cap) 8.
  • a magnet 9 which is formed according to the embodiment as a permanent magnet.
  • a sensor device 10 is provided on the housing cover 8, which comprises two sensor arrangements 11 and 12, which are arranged opposite the magnet 9.
  • the sensor device 10 and / or the sensor arrangements 11 and 12 are electrically connected to an evaluation device 13 which has a digital computer or microcontroller 14 and a memory unit 26.
  • the evaluation device 13 is provided outside of the joint 1.
  • the evaluation device 13 is e.g. arranged in or on the joint 1 and / or integrated into this.
  • the ball stud 4 can be pivoted about its center 15 relative to the joint housing 2, which is indicated by the double arrow 16.
  • the joint housing 2 is associated with a housing longitudinal axis 17 which extends in particular through the center 15 of the joint ball 3.
  • the ball pin 4 is associated with a pin longitudinal axis 18 which extends in particular through the center 15 of the ball joint 3. In the position of the ball stud 4 shown in Figure 1, the two fall Longitudinal axes 17 and 18 together, so that the ball stud 4 is in a reference position or zero position.
  • the angle ⁇ can be determined by detecting a local magnetic field 19 caused by the magnet 9 (see FIGS. 4 and 5), which flows through the sensor arrangements 11 and 12, by means of the sensor arrangements 11 and 12 and sensor signals S1 and S2 generated by them the evaluation device 13 are evaluated.
  • the sensor arrangement 11 first sensor arrangement
  • the sensor arrangement 11 generates the sensor signal S1 (first sensor signal)
  • the sensor arrangement 12 second sensor arrangement
  • the information about the angle ⁇ formed by the evaluation device 13 can also be referred to as position information 25, which is indicated only schematically in FIG. 1 and is generated by the evaluation device 13 in the form of a position signal S3 which can be output by the evaluation device 13.
  • an interference field source 20 which causes a disturbance magnetic field 21 (see FIGS. 5 and 6), which also flows through the sensor arrangements 11 and 12.
  • the interference magnetic field 21 and the local magnetic field 19 are thus superimposed at the location of the sensor arrangements 11 and 12 in a resulting magnetic field, which can lead to a distortion of the position signal S3.
  • the disturbance magnetic field 21 flows through the sensor arrangements 11 and 12 in or in approximately the same direction, which can be seen in FIG the local magnetic field 19 flows through the sensor arrangements 11 and 12 in different directions, which can be seen in FIG. 5.
  • the sensor arrangements 11 and 12 are each designed as SD magnetic sensors, by means of which the resulting magnetic field and / or its direction at the location of the respective sensor arrangement in three different spatial directions x, y and z can be detected, which are not in the same plane.
  • a coordinate system with the spatial directions x, y and z is shown in FIG. 1, each of the sensor arrangements 11 and 12 is preferably a separate coordinate system. associated with tem, whose origin is at the location of the respective sensor array.
  • the sensor signal S1 thus has three signal components, which are denoted by S1x, S1y and S1z on the basis of the spatial directions.
  • the second sensor signal S2 has three signal components, which are denoted by S2x, S2y and S2z on the basis of the spatial directions.
  • the signal components are indicated only schematically in FIG. 1.
  • the influence of the interference magnetic field 21 on the sensor signals S1 and S2 can be eliminated by means of the evaluation device 13 in the formation of the position information 25 and / or the position signal S3 , which will be explained below with reference to FIG. 8.
  • FIG. 4 shows a schematic detail of the magnet 9 and the magnetic field 19 caused by it.
  • FIG. 5 shows schematically the sensor arrangements 11 and 12, the magnet 9, the magnetic field 19 caused thereby, the interference field source 20 as well as the interference magnetic field 21 caused thereby.
  • FIG. 6 shows diagrammatically the sensor arrangements 11 and 12, the interference field source 20 as well as a part of the interference magnetic field 21 produced therefrom.
  • a sensor module 22 can be seen, which comprises a module housing 23, in which the sensor assemblies 11 and 12 are arranged. On the module housing 23 electrical contacts 24 are provided, via which the sensor signals S1 and S2 can be tapped off and a power supply can be connected. Alternatively, the sensor assemblies 11 and 12 may each be provided in a separate sensor module.
  • the sensor device 10 comprises, in particular, the sensor module 22 or the separate sensor modules.
  • a characteristic diagram 27 can be seen in a schematic representation, which is stored in the memory unit 26.
  • the map 27 includes a plurality of map position vectors Lki (Lk1, Lk2, Lk3, ... Lkn), which characterize different predetermined positions of the ball stud 4 relative to the joint housing 2.
  • Each characteristic map position vector Lki preferably comprises two characteristic map position values as components.
  • two characteristic map position values per map position vector Lki are sufficient in this case, since the position of the ball stud 4 relative to the joint housing 2 in a spherical coordinate system can be described by two angles when the center 15 of the joint ball 3 relative to the joint housing 2 is considered stationary.
  • the components of the characteristic map position vector Lki thus preferably comprise two angles, one of which may be, for example, the angle ⁇ shown in FIG. 1.
  • the characteristic map position vectors Lki to each include three characteristic map position values as components or only one characteristic map position value as component.
  • the map 27 includes a plurality of map sensor signal vectors S1ki and S2ki (S1k1, S2k1, S1k2, S2k2, S1 k3, S2k3, ... S1 kn, S2kn), which characterize the sensor signals S1 and S2 at the different map layers i.
  • the map sensor signal vectors S1ki characterize the sensor signal S1 and the map sensor signal vectors S2ki the sensor signal S2.
  • Each map sensor signal vector comprises in particular three map sensor signal values as components, specifically a map sensor signal value per spatial direction x, y, z.
  • characteristic map sensor signal vectors S1 ki, S2ki which are assigned to the same map position i are combined to form a map sensor signal vector pair Pki (S1ki, S2ki).
  • Each characteristic map position vector Lki is assigned exactly one characteristic map sensor signal vector pair Pki.
  • the characteristic map 27 was detected by prior measurement of the local magnetic field 19 by means of the sensor arrangements 11 and 12 at the different characteristic map positions i, without the influence of the disturbance magnetic field 21.
  • map sensor signal difference vectors S1 ki, S2ki of each map sensor signal vector pair Pki map sensor signal difference vectors S1 ki - S2ki formed.
  • a matching characteristic map sensor signal difference vector S1kj-S2kj is searched among the characteristic map sensor signal difference vectors S1ki-S2ki, which coincides with or is close to or closest to the actual sensor signal difference vector S1-S2.
  • the subscript j identifies that characteristic map position i, to which the characteristic field sensor signal vector pair is assigned, from whose characteristic field sensor signal vectors the suitable characteristic diagram sensor signal difference vector has been formed.
  • the characteristic map position vector Lkj which is assigned to the characteristic field sensor signal vector pair Pkj in the characteristic map 27, from whose characteristic field sensor signal vectors S1 kj, S2kj the matching characteristic field sensor signal Difference vector S1kj - S2kj was formed, an information about the current position of the ball stud 4 relative to the joint housing 2 and thus the position information 25.
  • This position information 25 is not affected or distorted by the interference magnetic field 21 in particular.

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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

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von zwei beweglich miteinander verbundenen Gelenkteilen eines Gelenks
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 Störein- fluss 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-A1 B6 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, Wer- ten 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 zusam- mengefasst. 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 Kenn- feld-Sensorsignalvektor-Tupel ein Kennfeld-Sensorsignalvektor-Paar bildet. Bevor- zugt 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 störmagnetfeld- frei. 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 o- der 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 Ein- fluss 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 örtli- chen 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:
Fig. 1 eine schematische und teilweise geschnittene Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines aus Fig. 1 ersichtlichen Kugelgelenks,
Fig. 3 eine perspektivische Explosivdarstellung des Kugelgelenks,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines aus Fig. 1 ersichtlichen und im Kugelgelenk angeordneten Magneten,
Fig. 5 eine schematische Darstellung von aus Fig. 1 ersichtlichen Sensoranordnungen, zusammen mit dem Magneten und einer Störfeldquelle, Fig. 6 eine schematische Darstellung der Sensoranordnungen mit der Störfeldquelle,
Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf ein die Sensoranordnungen umfassendes Sensormodul und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Kennfelds.
Aus Fig. 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 Fig. 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 Fig.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 Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Der Winkel α kann bestimmt werden, indem ein von dem Magneten 9 hervorgerufenes örtliches Magnetfeld 19 (siehe Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 6 ersichtlich ist, wohingegen das örtliche Magnetfeld 19 die Sensoranordnungen 11 und 12 in unterschiedlichen Richtungen durchflutet, was aus Fig. 5 ersichtlich ist. Die Sensoranordnungen 11 und 12 sind jeweils als SD- 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 Fig. 1 ein Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y und z gezeigt, bevorzugt ist jeder der Sensoranordnungen 11 und 12 aber ein eigenes Koordinatensys- tem 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 Fig. 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 Fig. 8 erläutert wird.
Ergänzend ist das Kugelgelenk 1 aus Fig. 2 in perspektivischer Ansicht und aus Fig. 3 in perspektivischer Explosivdarstellung ersichtlich.
Ferner zeigt Fig. 4 in schematischer Einzeldarstellung den Magneten 9 sowie das von diesem hervorgerufene Magnetfeld 19.
Fig. 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.
Fig. 6 zeigt schematisch die Sensoranordnungen 11 und 12, die Störfeldquelle 20 sowie ein Teil des dieser hervorgerufenen Störmagnetfelds 21.
Aus Fig. 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 Fig. 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 Kugel koordinatensystem 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 Fig. 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, S1 k3, S2k3, ... S1 kn, 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 S1 ki, 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 S1 ki, S2ki jedes Kennfeld- Sensorsignalvektor-Paars Pki Kennfeld-Sensorsignal- Differenzvektoren S1 ki - S2ki gebildet. Nun wird mittels eines mathematischen Verfahrens, ein passender Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektor S1kj - S2kj unter den Kennfeld-Sensorsignal-Differenzvektoren S1 ki - 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 S1 kj, 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.
Bezuaszeichen Kugelgelenk
Gelenkgehäuse / zweites Gelenkteil
Gelenkkugel
Kugelzapfen / erstes Gelenkteil
Lagerschale
Zapfenöffnung
Montagöffnung
Gehäusedeckel
Magnet
Sensoreinrichtung
Sensoranordnung
Sensoranordnung
Auswerteeinrichtung
Digitalrechner / Mikrocontroller
Mittelpunkt der Gelenkkugel
Schwenkrichtung des Kugelzapfens
Längsachse des Gelenkgehäuses
Längsachse des Kugelzapfens (in Referenzlage)
' Längsachse des Kugelzapfens im verschwenkten Zustand Magnetfeld des Magneten / örtliches Magnetfeld
Störfeldquelle
Störmagnetfeld
Sensormodul
Modulgehäuse
Kontakt des Sensormoduls
Lageinformation
Speichereinheit
Kennfeld
Schwenkwinkel
Sensorsignal
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
S1 ki 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

Patentansprüche
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 (S1 ki, 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 (S1 ki, 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 Ge- lenkkugel (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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