WO2020094511A1 - Magnetgesteuerte sensoranordnung - Google Patents

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WO2020094511A1
WO2020094511A1 PCT/EP2019/079919 EP2019079919W WO2020094511A1 WO 2020094511 A1 WO2020094511 A1 WO 2020094511A1 EP 2019079919 W EP2019079919 W EP 2019079919W WO 2020094511 A1 WO2020094511 A1 WO 2020094511A1
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WO
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magnetic field
sensor
ball
arrangement
rotation
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/079919
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Koch
Joachim Spratte
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—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
    • G01D5/12—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
    • G01D5/14—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
    • G01D5/142—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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a sensor arrangement.
  • the invention relates to a magnetically controlled sensor arrangement which is set up to detect mechanical actuation.
  • a process is to be controlled which can be influenced by a driver.
  • the process can include a gear change in a manual transmission and the influence can consist in the specification of a target gear or in the selection of one of several automatic modes by the driver.
  • an actuating element is usually provided which comprises a movable element which the driver can bring into a predetermined position depending on his wish.
  • the movement of the element is usually adjusted by a mechanical device, so that the driver has a predetermined feel.
  • a sensor arrangement is set up to sense the movement of the element and to provide a signal corresponding to the movement or position of the element.
  • the sensor arrangement comprises a permanent magnet that can be moved relative to a magnetic field sensor.
  • the position of the permanent magnet relative to the magnetic field sensor is often determined on the basis of the strength of the effective magnetic field in an edge region of the permanent magnet.
  • Resistance to an external magnetic field can be low and it is difficult to determine the external magnetic field.
  • the strength of the magnetic field can be non-linearly dependent on the position, so that a resolution can be dependent on the position.
  • DE 10 2010 026 237 A1 relates to an operating element to which an arrangement of magnets is connected.
  • the position of the control element is to be determined via spatial components of a magnetic field caused by the magnets.
  • a sensor arrangement comprises a magnetic field sensor which is set up to determine the field direction of a magnetic field surrounding it; and a magnetic arrangement with a magnetic guide element with two magnetic poles, between which there is a magnetic field.
  • the magnetic field sensor is arranged between the magnetic poles of the magnet arrangement; and the magnetic field sensor is rotatably supported relative to the magnetic order about a first axis of rotation which runs through the magnetic field sensor.
  • the magnetic field in the area of the magnetic field sensor can be strong, so that a surrounding magnetic field, for example the earth's magnetic field, cannot represent any significant interference.
  • a surrounding magnetic field for example the earth's magnetic field
  • Such an external field can also be deflected by the magnetic guide element in such a way that the magnetic field in the area of the magnetic field sensor changes its strength, but not its direction.
  • the strength of the magnetic field can be independent of the angle of rotation between the magnetic field sensor and the magnet arrangement. For the determination of the angle of rotation, no strongly inhomogeneous area of a magnet is used, in particular no edge area, so that a large angle of rotation can be scanned. A calibration due to series discrepancies in the magnet arrangement can be omitted.
  • the magnet arrangement is preferably set up to generate a homogeneous magnetic field, at least in the area of the magnetic field sensor.
  • a determination accuracy of an alignment of the magnet arrangement about the first axis of rotation can be increased or a resistance to an external interference field can be further increased.
  • the magnetic field sensor is preferably set up to determine strengths of the surrounding magnetic field along several spatial directions.
  • One can Processing device may be provided, which is set up to determine, based on the strengths, an angle of rotation of the magnetic field sensor with respect to the magnet arrangement about the first axis of rotation.
  • the processing device can be comprised by the magnetic field sensor or constructed separately from it.
  • the spatial directions are preferably perpendicular to each other.
  • an integrated 2D or 3D magnetic field sensor can be used, which can provide a direction angle and an amplitude of a specific magnetic field or strengths of the magnetic field along the spatial directions in different embodiments.
  • Such sensors are available in a large selection and can carry out a sufficiently precise determination inexpensively.
  • the sensor can in particular work magnetoresistively, for example on the basis of the Hall effect, the anisotropic magnetoresistance (AMR), the giant magnetoresistance (GMR), the colossal magnetoresistive effect (CMR) or the magnetic tunnel resistance (TMR).
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance
  • CMR colossal magnetoresistive effect
  • TMR magnetic tunnel resistance
  • the processing device can be set up to determine in which of a number of predetermined, disjunct rotation angle ranges the rotation angle falls.
  • a number of predetermined positions of the magnetic device can be predetermined relative to the magnetic sensor and each position can be assigned a rotary angle range.
  • the sensor arrangement can then determine whether one of the predetermined positions has been reached.
  • the magnet arrangement can comprise a substantially U-shaped magnetic guide element.
  • the guide element can form field lines of a magnet between the ends of the guide element to form a relatively strong magnetic field. Outside the area of the sensor, however, the magnetic field provided can be relatively weak.
  • the guide element can improve the homogeneity of the magnetic field in the region of the sensor.
  • the magnet can be designed as a permanent magnet or as an electrical magnet. Such an arrangement can also be called a yoke magnet, the yoke being formed by the magnetic guide element. Alternatively, a horseshoe magnet or an arrangement of cylinder magnets can be used, for example. An arrangement of parallel magnets is also possible.
  • one of the ends of the guide element a pole piece made of a soft magnetic material can be provided in order to shape the magnetic field even better.
  • the magnetic field sensor can additionally be rotatably mounted about the second axis of rotation, which runs through the magnetic field sensor, with the two axes of rotation being essentially mutually perpendicular.
  • the magnetic field sensor can also be rotatably supported relative to the magnetic arrangement about a third axis of rotation which runs through the magnetic field sensor, the three axes of rotation being essentially perpendicular to one another. In this way, the sensor arrangements can also be used to determine a for a special three-dimensional actuation.
  • the magnetic sensor is based on the determination of magnetic strengths in predetermined spatial directions and the number of spatial directions is not greater than the number of axes of rotation by which the angles of rotation are to be determined, it is preferred that no axis of rotation coincides with one of the spatial directions due to ambiguities or numerical problems to avoid when determining the angle of rotation. With a symmetrical design, angles of rotation around the axes of rotation can therefore be restricted to areas smaller than ⁇ 45 °.
  • An operating element comprises a sensor arrangement described here and a ball joint with a ball and a ball socket.
  • the magnetic field sensor can be attached to the ball and the magnet arrangement on the ball socket or vice versa.
  • a locking device with a recess and a locking element for engaging in the United recess provided.
  • the locking element is preferably spring-loaded in the direction of the center of the ball surface.
  • a groove can be made in the ball surface, in which the Locking element runs.
  • a depth of the groove in connection with the radially acting force of the locking element can, for example, realize a locking point with a predetermined restoring force.
  • the locking device can be set up to restrict movement of the ball in the ball socket in the manner of a shift gate to a predetermined path.
  • the locking element can, for example, be designed such that it cannot withdraw from the groove.
  • a rotation of the ball relative to the ball socket about one of the axes of rotation can therefore be limited to a predetermined path, which is determined by the groove.
  • the groove can also vary in width along the surface of the ball, for example, so that the path can be designed flexibly.
  • the depression on the ball and the locking element on the ball socket are preferably provided.
  • the movement characteristics of the ball in relation to the ball socket can be changed in this way by exchanging only one element - the ball.
  • An actuating lever can be formed in one piece on the ball, so that a part that can be perceived by a user can also be suitably changed by an exchange.
  • the control element can be used for different purposes using many identical parts. A subsequent adjustment by exchanging the ball may be possible.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary sensor arrangement
  • FIG. 2 illustrates exemplary embodiments of magnet arrangements.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary control element 100, which comprises a sensor arrangement 105 and a ball joint 110.
  • the spherical joint 1 10 is formed by a ball 1 15, which is guided in a ball socket 120.
  • the ball socket 120 is formed by an upper shell 125 and a lower shell 130, which abut one another along a parting plane, the parting plane preferably running through a center point of the ball 115.
  • an actuating element in particular an actuating lever 135 may be introduced.
  • the ball 115 and the actuating lever 135 are preferably made in one piece.
  • the upper shell 130 has a cutout 140 which preferably allows the actuating lever 135 to be passed through for mounting the ball 115 in the ball socket 120.
  • the cutout 140 is preferably conical in shape to allow pivoting or inclination of the lever 135 within a predetermined angular range.
  • the ball joint 110 is shown relatively large. In another embodiment, the ball and socket joint can also be dimensioned differently in relation to other components and, in particular, be made smaller.
  • a latching device 145 is preferably provided, which can comprise a groove or other recess 150 in the surface of the ball 115 and a latching element 152 for a grip in the recess 150.
  • the locking element 152 can be radially movable and loaded by means of an elastic element 154 in the direction of the ball 115 and the recess 150 can have different radial depths, so that an actuating force on the ball 115 can be brought into a predetermined position.
  • the locking element 152 is designed such that it cannot be moved radially outwards to such an extent that it leaves the recess 150.
  • the locking element 152 can be secured radially immovably or by means of a depth stop against complete insertion into a recess in the lower shell 130. Movement of the ball 115 in the ball socket 110 can thus be restricted to a predetermined area or path.
  • the ball 115 can be rotated relative to the ball pan 120 about a first axis of rotation 156, a second axis of rotation 158 (here perpendicular to the plane of representation) and / or a third axis of rotation 160.
  • the Axes of rotation 156-160 are preferably perpendicular to one another in pairs or at least form acute angles with one another.
  • An undesirable mobility around one of the axes 156-160 can be eliminated by conventional means known to a person skilled in the art.
  • a mechanical bearing other than the ball joint 110 can also be provided, for example a hinge joint, a linear guide or a link guide along a predetermined curve.
  • the sensor arrangement 105 comprises a magnet arrangement 162 and a magnetic field sensor 164.
  • the magnet arrangement 162 is attached to the ball 1 15 and the magnetic field sensor 164 to the ball pan 1 10; reverse installation is also possible.
  • the Ku gel 1 15 is designed as a hollow ball to leave space for one of the two elements to bring.
  • the magnet arrangement 162 has two ends 166, on which a magnetic north pole N and a magnetic south pole S are formed in the present case.
  • the orientation and position of the magnetic poles N, S shown is exemplary.
  • the ends 166 preferably lie opposite one another and a magnetic field prevails between the magnetic poles N, S.
  • the magnet arrangement 162 can be constructed, for example, as a yoke magnet, which can comprise a magnetic guide element 168 and a magnet 170.
  • the guide element 168 can comprise a ferromagnetic material, so that the guide element 168 simultaneously encompasses the magnet 170.
  • the guide element 168 can comprise a soft magnetic material, for example iron, which can be made in one piece or in several pieces.
  • the guide element 168 is realized as a stack of soft magnetic sheets.
  • the sheets can comprise mu-metal.
  • the magnet 170 can be constructed, for example, as a permanent magnet or as an electromagnet. Field lines of the magnet 170 can be shaped by means of the guide element 168 such that a relatively strong or relatively homogeneous magnetic field is established between the ends 166, which is indicated by parallel arrows in FIG. 1. A distance between the ends 166 is preferably as small as possible to choose without affecting the mobility of the magnet assembly 162 relative to the magnetic field sensor 164.
  • An external magnetic field can be deflected by the Lei telement 168 so that it strengthens or weakens the magnetic field between the magnetic poles N and S, but preferably does not affect or only slightly in its direction.
  • the magnetic field sensor 164 is mounted, for example, on a printed circuit board 172 which is fastened to the ball socket 110 by means of a carrier 174.
  • the carrier 174 passes through a recess 176 in the ball 115.
  • the carrier 174 can lead an electrical line for transmitting energy or signals from or to the magnetic field sensor 164.
  • the carrier 174 is held between the upper shell 125 and the lower shell 130, so that it is released after the separation of the shells 125, 130 and can be removed from the ball 115 together with the magnetic field sensor 164 in order to replace the ball 115 Control element 100 to enable.
  • the magnetic field sensor 164 is preferably set up to determine the direction of a magnetic field surrounding it, in particular the magnetic field provided by the magnet arrangement 162.
  • the magnetic field sensor can be set up to determine the strengths of the magnetic field along one or more spatial directions, which are preferably perpendicular to one another in pairs or enclose at least acute angles with one another.
  • one of the spatial directions preferably does not coincide with an axis of rotation 156-160 about which an angle of rotation is to be determined. This applies in particular when the magnetic field sensor 164 does not cover more spatial directions than axes of rotation 156-160 about which an angle of rotation is to be determined in each case. If the number of spatial directions exceeds that of the axes of rotation 156-160, the alignment can be uncritical.
  • a processing device 178 is provided, which is set up in particular to determine angles of rotation about one or more axes of rotation 156-160 on the basis of measured values provided by the magnetic field sensor 164.
  • the processing device 178 can initially define a direction of the Determine the magnetic field based on the determined strengths of the magnetic field along the spatial directions.
  • the processing device 178 can also be designed integrated with the magnetic field sensor 164.
  • An integrated and a separate processing device 178 can also be provided.
  • the processing device 178 is arranged together with the magnetic field sensor 164 inside the ball 115.
  • the processing device 178 can be positioned in a generally flexible manner, in particular also outside the ball 115 or the ball joint 110. In a particularly preferred embodiment, if possible only the magnetic field sensor 164 is located inside the ball, so that the ball joint 110 can be made very small.
  • the control element 100 can be designed as a simple mechanical device that allows an operation by a user, the operation being sensed by means of the sensor arrangement 105.
  • the sensor arrangement 105 can provide an accurate and interference-resistant determination of angles of rotation about one or more axes of rotation 156-160.
  • a particular advantage of the combination of the control element 100 with the sensor arrangement 105 shown is that a haptic characteristic of the control element 100 can be controlled by designing only one part, namely the ball 115.
  • the control element 100 can be adapted to very different requirements.
  • the magnetic field sensor 164 can be surrounded by an encapsulation 180 in order to protect the magnetic field sensor 164 against moisture or dirt which could penetrate into the ball joint 110.
  • the processing device 178, the printed circuit board 172 and at least a portion of the carrier 174 can optionally be enclosed by the encapsulation 180.
  • the encapsulation 180 can be sealed off from the carrier 174, for example by means of gluing or welding.
  • the encapsulation 180 can, as shown, fit snugly against the encompassed elements and, for example, be realized by a shrink tube or a sealing compound.
  • the encapsulation 180 can also have a Open, in particular rigid hollow body into which the magnetic field sensor 164 can be inserted.
  • the encapsulation 180 can be cylindrical, for example, with one end of the cylinder preferably being closed.
  • a sleeve or a tube can also be used in variants.
  • a plastic or other non-magnetic material is preferred as the material.
  • the encapsulation 180 can permit extensive or complete separation of the magnetic field sensor 164 and, if appropriate, further current-carrying components from mechanical components of the operating element 100.
  • the encapsulation 180 can protect received components against dirt, dust, moisture or foreign bodies that can get into the area of the operating element 100 during use.
  • protection against a lubricant can be achieved, which can be used between the ball 115 and the ball socket 120.
  • FIG. 2 shows exemplary further exemplary embodiments for magnet arrangements 162 which can be used on a sensor arrangement 105. Additional features or advantages mentioned in FIG. 2 can be transferable under the different embodiments of the magnet arrangement 162.
  • FIG. 2a shows an embodiment in which the magnet 170 or the magnetic guide element 168 is designed as a ring or as a hollow cylinder.
  • the magnetic field runs along a central axis of the ring or hollow cylinder and the magnetic field sensor 162 is arranged in the cavity of the cylinder or in the interior of the ring.
  • a hollow cylindrical guide element 168 and one or more ring-shaped magnets 170 can be provided, which give the guide element 168 around.
  • An annular gap between the magnet 170 and the guide element 168 is preferably kept small.
  • FIG. 2b shows an embodiment which is similar to that of FIG. 1, but the ends 166 of the guide element 168 each extend in the direction of the magnetic field sensor 164.
  • the ends 166 can generally be flat at least in sections and the flat sections can be parallel to one another.
  • FIG. 2c shows an embodiment with a plurality of magnets 170, which are attached here, for example, in the region of the ends 166 of the guide element 168.
  • the distribution of magnets 170 on the guide element 169 can also be asymmetrical and more than two magnets 170 can also be used.

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Abstract

Eine Sensoranordnung (105) umfasst einen Magnetfeldsensor (164), der dazu eingerichtet ist, die Feldrichtung eines ihn umgebenden Magnetfelds zu bestimmen; und eine Magnetanordnung (162) mit einem magnetischen Leitelement mit zwei magnetischen Polen (N, S), zwischen denen ein Magnetfeld herrscht. Dabei ist der Magnetfeldsensor (164) zwischen den magnetischen Polen (N, S); und der Magnetfeldsensor (164) ist gegenüber der Magnetanordnung (162) um eine erste Drehachse (156-160) drehbar gelagert, die durch den Magnetfeldsensor (164) verläuft.

Description

Maqnetqesteuerte Sensoranordnunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine magnetgesteuerte Sensoranordnung, die dazu eingerichtet ist, eine mechanische Betätigung zu erfassen.
An Bord eines Kraftfahrzeugs ist ein Vorgang zu steuern, auf den durch einen Fahrer Einfluss genommen werden kann. Beispielsweise kann der Vorgang einen Gang wechsel in einem Schaltgetriebe umfassen und der Einfluss kann in der Vorgabe ei nes Zielgangs oder im Anwählen eines von mehreren automatischen Modi durch den Fahrer bestehen. Zur Einflussnahme ist üblicherweise ein Betätigungselement vor gesehen, das ein bewegliches Element umfasst, das der Fahrer in Abhängigkeit sei nes Wunschs in eine vorbestimmte Stellung bringen kann. Die Bewegung des Ele ments wird üblicherweise durch eine mechanische Vorrichtung angepasst, sodass sich für den Fahrer eine vorbestimmte Haptik ergibt. Eine Sensoranordnung ist dazu eingerichtet, die Bewegung des Elements abzutasten und ein zur Bewegung bzw. Stellung des Elements korrespondierendes Signal bereitzustellen.
Üblicherweise umfasst die Sensoranordnung einen Permanentmagneten, der ge genüber einem Magnetfeldsensor bewegt werden kann. Dabei erfolgt die Bestim mung der Stellung des Permanentmagneten gegenüber dem Magnetfeldsensor häu fig auf der Basis der Stärke des wirksamen Magnetfeldes in einem Randbereich des Permanentmagneten. Dazu kann es erforderlich sein, die Sensoranordnung aufgrund von Serienstreuungen der Stärke des Magnetfelds zu kalibrieren. Eine Resistenz ge genüber einem externen Magnetfeld kann gering sein und eine Bestimmung des ex ternen Magnetfelds schwierig. Die Stärke des Magnetfelds kann nichtlinear von der Stellung abhängig sein, sodass eine Auflösung von der Stellung abhängig sein kann.
DE 10 2010 026 237 A1 betrifft ein Bedienelement, mit dem eine Anordnung von Magneten verbunden ist. Die Stellung des Bedienelements soll über räumliche Kom ponenten eines durch die Magneten bewirkten Magnetfelds bestimmt werden.
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht daher in der Bereitstellung einer verbesserten Sensoranordnung zur Bestimmung der relativen Stellung zweier Elemente zueinander. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Eine Sensoranordnung umfasst einen Magnetfeldsensor, der dazu eingerichtet ist, die Feldrichtung eines ihn umgebenden Magnetfelds zu bestimmen; und eine Mag netanordnung mit einem magnetischen Leitelement mit zwei magnetischen Polen, zwischen denen ein Magnetfeld herrscht. Dabei ist der Magnetfeldsensor zwischen den magnetischen Polen der Magnetanordnung angeordnet; und der Magnetfeld sensor ist gegenüber der Magnetordnung um eine erste Drehachse drehbar gelagert, die durch den Magnetfeldsensor verläuft.
Durch den beschriebenen Aufbau der Magnetanordnung kann das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors stark sein, sodass ein umgebendes Magnetfeld, bei spielsweise das Erdmagnetfeld keinen wesentlichen Störeinfluss darstellen kann. Ein solches externes Feld kann außerdem durch das magnetische Leitelements so um gelenkt werden, dass das Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors seine Stär ke, aber nicht seine Richtung ändert. Da zusätzlich die Drehachse durch den Mag netfeldsensor verläuft, kann die Stärke des Magnetfelds vom Drehwinkel zwischen dem Magnetfeldsensor und der Magnetanordnung unabhängig sein. Für die Bestim mung des Drehwinkels wird kein stark inhomogener Bereich eines Magneten ausge nutzt, insbesondere kein Randbereich, sodass ein großer Drehwinkel abgetastet werden kann. Eine Kalibrierung aufgrund von Serienstreuungen der Magnetanord nung kann entfallen.
Die Magnetanordnung ist bevorzugt dazu eingerichtet ist, ein zumindest im Bereich des Magnetfeldsensors homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Eine Bestimmungs genauigkeit einer Ausrichtung der Magnetanordnung um die erste Drehachse kann so gesteigert oder eine Resistenz gegenüber einem externen Störfeld weiter gestei gert sein.
Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt dazu eingerichtet, entlang mehrerer Raumrich tungen Stärken des ihn umgebenden Magnetfelds zu bestimmen. Dabei kann eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der Stärken einen Drehwinkel des Magnetfeldsensors gegenüber der Magnetanord nung um die erste Drehachse zu bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung kann vom Magnetfeldsensor umfasst oder separat von ihm aufgebaut sein. Die Raumrichtun gen stehen bevorzugt aufeinander senkrecht. Beispielsweise können ein integrierter 2D- oder 3D-Magnetfeldsensor verwendet werden, der in unterschiedlichen Ausfüh rungsformen einen Richtungswinkel und eine Amplitude eines bestimmten Magnet felds oder Stärken des Magnetfelds entlang der Raumrichtungen bereitstellen kann. Derartige Sensoren sind in großer Auswahl erhältlich und können kostengünstig eine ausreichend genaue Bestimmung durchführen. Der Sensor kann insbesondere mag- netoresistiv arbeiten, beispielsweise auf der Basis des Hall-Effekts, der anisotropi schen Magnetoresistenz (AMR), des Riesenmagnetowiderstands (GMR), des kolos salen magnetoresistiven Effekts (CMR) oder des magnetischen Tunnelwiderstands (TMR).
Die Verarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, zu bestimmen, in welchen einer Anzahl vorbestimmter, disjunkter Drehwinkelbereiche der Drehwinkel fällt. Bei spielsweise kann eine Anzahl vorbestimmter Positionen der Magneteinrichtung ge genüber dem Magnetsensor vorbestimmt sein und jeder Position kann ein Drehwin kelbereich zugeordnet sein. Die Sensoranordnung kann dann das Erreichen einer der vorbestimmten Positionen bestimmen.
Die Magnetanordnung kann ein im Wesentlichen U-förmiges magnetisches Leitele ment umfassen. Das Leitelement kann Feldlinien eines Magneten zwischen den En den des Leitelements zu einem relativ starken Magnetfeld formen. Außerhalb des Bereichs des Sensors kann das bereitgestellte Magnetfeld hingegen relativ schwach sein. Außerdem kann durch das Leitelement eine Homogenität des Magnetfelds im Bereich des Sensors verbessert sein. Der Magnet kann als Permanentmagnet oder als elektrischer Magnet ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung kann auch Jochmagnet genannt werden, wobei das Joch durch das magnetische Leitelement gebildet ist. Alternativ können beispielsweise ein Hufeisenmagnet oder eine Anord nung aus Zylindermagneten verwendet werden. Auch eine Anordnung paralleler Magneten ist möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann an einem der Enden des Leitelements ein Polschuh aus einem weichmagnetischen Material vorgesehen sein, um das Magnetfeld noch besser zu formen.
Der Magnetfeldsensor kann zusätzlich gegenüber der Magnetordnung um eine zwei te Drehachse drehbar gelagert sein, die durch den Magnetfeldsensor verläuft, wobei die beiden Drehachsen im Wesentlichen aufeinander senkrecht stehen. Dadurch kann eine komplexere Bewegung des Magnetelements gegenüber dem Magnetsen sor aufgelöst werden, sodass sich die Sensoranordnung flexibler einsetzen lässt und auch für eine komplexere Steuerbewegung anwendbar sein kann.
Der Magnetfeldsensor kann weiter gegenüber der Magnetordnung um eine dritte Drehachse drehbar gelagert sein, die durch den Magnetfeldsensor verläuft, wobei die drei Drehachsen im Wesentlichen aufeinander senkrecht stehen. Auf diese Weise kann die Sensoranordnungen auch zur Bestimmung einer für eine speziellen dreidi mensionalen Betätigung eingesetzt werden.
Basiert der Magnetsensor auf der Bestimmung von Magnetstärken in vorbestimmten Raumrichtungen und ist die Anzahl der Raumrichtungen nicht größer als die Anzahl der Drehachsen, um die Drehwinkel bestimmt werden sollen, so ist bevorzugt, dass keine Drehachse mit einer der Raumrichtungen zusammenfällt, um Mehrdeutigkeiten oder numerische Probleme bei der Bestimmung der Drehwinkel zu vermeiden. Bei symmetrischer Auslegung können daher Drehwinkel um die Drehachsen jeweils auf Bereiche kleiner als ±45° eingeschränkt sein.
Ein Bedienelement umfasst eine hierin beschriebene Sensoranordnung und ein Ku gelgelenk mit einer Kugel und einer Kugelpfanne. Dabei kann der Magnetfeldsensor an der Kugel und die Magnetanordnung an der Kugelpfanne angebracht sein oder umgekehrt. Zwischen der Kugel und der Kugelpfanne ist dann bevorzugt eine Rasteinrichtung mit einer Vertiefung und einem Rastelement zum Eingriff in die Ver tiefung vorgesehen.
Das Rastelement ist bevorzugt federbelastet in Richtung des Mittelpunkts der Kugel oberfläche. In die Kugeloberfläche kann eine Nut eingebracht sein, in welcher das Rastelement läuft. Eine Tiefe der Nut kann in Verbindung mit der radial wirkenden Kraft des Rastelements beispielsweise einen Rastpunkt mit einer vorbestimmten Rückstellkraft realisieren.
Die Rasteinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Bewegung der Kugel in der Kugelpfanne nach Art einer Schaltkulisse auf einen vorbestimmten Pfad zu be schränken. Dazu kann das Rastelement beispielsweise so gestaltet sein, dass es sich nicht aus der Nut zurückziehen kann. Eine Drehung der Kugel gegenüber der Kugelpfanne um eine der Drehachsen kann daher auf einen vorbestimmten Pfad be schränkt sein, der durch die Nut bestimmt ist. Dabei kann die Nut außer in ihrer Tiefe auch beispielsweise in ihrer Breite entlang der Kugeloberfläche variieren, sodass der Pfad flexibel gestaltet werden kann.
Bevorzugt sind die Vertiefung an der Kugel und das Rastelement an der Kugelpfanne vorgesehen. Die Bewegungscharakteristik der Kugel gegenüber der Kugelpfanne kann auf diese Weise durch Austauschen nur eines einzigen Elements - der Kugel - verändert werden. An der Kugel kann ein Betätigungshebel einstückig ausgebildet sein, sodass durch einen Austausch auch ein durch einen Benutzer wahrnehmbarer Teil passend geändert werden kann. Das Bedienelement kann so unter Verwendung vieler Gleichteile für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Eine nachträgliche Anpassung durch Austausch der Kugel kann möglich sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Sensoranordnung; und Fig. 2 beispielhafte Ausführungsformen von Magnetanordnungen darstellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Bedienelements 100, das eine Sensoranordnung 105 und ein Kugelgelenk 1 10 umfasst. Das Kugel- gelenk 1 10 ist gebildet durch eine Kugel 1 15, die in einer Kugelpfanne 120 geführt ist. Beispielhaft ist die Kugelpfanne 120 gebildet durch eine Oberschale 125 und eine Unterschale 130, die entlang einer Trennebene aneinander anliegen, wobei die Trennebene bevorzugt durch einen Mittelpunkt der Kugel 1 15 verläuft. An der Kugel 1 15 kann ein Betätigungselement, insbesondere ein Betätigungshebel 135 ange bracht sein. Bevorzugt sind die Kugel 1 15 und der Betätigungshebel 135 einstückig ausgeführt. Zur Durchführung des Betätigungshebels 135 sowie gegebenenfalls ei nes am Ende des Betätigungshebels 135 angebrachten Knaufs weist die Oberschale 130 einen Ausschnitt 140 aus, der bevorzugt ein Durchführen des Betätigungshebels 135 zur Montage der Kugel 1 15 in der Kugelpfanne 120 erlaubt. Außerdem ist der Ausschnitt 140 bevorzugt konisch geformt, um ein Schwenken bzw. Neigen des He bels 135 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs zu erlauben. In der Darstel lung von Figur 1 ist das Kugelgelenk 1 10 relativ groß dargestellt. In einer anderen Ausführungsform kann das Kugelgelenk im Verhältnis zu anderen Komponenten auch anders dimensioniert und insbesondere kleiner ausgeführt sein.
Bevorzugt ist eine Rasteinrichtung 145 vorgesehen, die eine Nut oder anderweitige Vertiefung 150 in der Oberfläche der Kugel 1 15 und ein Rastelement 152 zum Ein griff in die Vertiefung 150 umfassen kann. Das Rastelement 152 kann radial beweg lich und mittels eines elastischen Elements 154 in Richtung der Kugel 1 15 belastet sein und die Vertiefung 150 kann unterschiedliche radiale Tiefen aufweisen, sodass eine Stellkraft auf die Kugel 1 15 in eine vorbestimmte Position bewirkt sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Rastelement 152 so ausgeführt, dass es nicht so weit radial nach außen bewegt werden kann, dass es die Vertiefung 150 ver lässt. Beispielsweise kann das Rastelement 152 radial unbeweglich oder mittels ei nes Tiefenanschlags gegen vollständiges Einschieben in eine Vertiefung in der Un terschale 130 gesichert sein. Eine Bewegung der Kugel 1 15 in der Kugelpfanne 1 10 kann so auf einen vorbestimmten Bereich oder Pfad eingeschränkt sein.
In der hier dargestellten Ausführungsform kann die Kugel 1 15 gegenüber der Kugel pfanne 120 um eine erste Drehachse 156, eine zweite Drehachse 158 (hier senk recht zur Darstellungsebene) und/oder eine dritte Drehachse 160 drehbar sein. Die Drehachsen 156-160 stehen bevorzugt paarweise aufeinander senkrecht oder schließen zumindest spitze Winkel miteinander ein. Eine unerwünschte Beweglich keit um eine der Achsen 156-160 kann durch übliche Mittel abgestellt werden, die einem Fachmann bekannt sind. In einer Ausführungsform, in welcher weniger Frei heitsgrade erforderlich sind, kann auch eine andere mechanische Lagerung als das Kugelgelenk 1 10 vorgesehen sein, beispielsweise ein Scharniergelenk, eine Linear führung oder eine Kulissenführung entlang einer vorbestimmten Kurve.
Die Sensoranordnung 105 umfasst eine Magnetanordnung 162 und einen Magnet feldsensor 164. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind die Mag netanordnung 162 an der Kugel 1 15 und der Magnetfeldsensor 164 an der Kugel pfanne 1 10 angebracht; eine umgekehrte Anbringung ist ebenfalls möglich. Die Ku gel 1 15 ist als Hohlkugel ausgeführt, um einem der beiden Elemente Platz zur An bringung zu lassen.
Die Magnetanordnung 162 weist zwei Enden 166 auf, an denen vorliegend ein mag netischer Nordpol N und ein magnetischer Südpol S gebildet sind. Die dargestellte Ausrichtung und Lage der magnetischen Pole N, S ist beispielhaft. Die Enden 166 liegen einander bevorzugt gegenüber und zwischen den magnetischen Polen N, S herrscht ein Magnetfeld. Die Magnetanordnung 162 kann beispielsweise als Joch magnet aufgebaut sein, der ein magnetisches Leitelement 168 und einen Magneten 170 umfassen kann. Das Leitelement 168 kann ein ferromagnetisches Material um fassen, sodass das Leitelement 168 gleichzeitig den Magneten 170 umfasst. Alterna tiv kann das Leitelement 168 ein weichmagnetisches Material umfassen, beispiels weise Eisen, das einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein kann. In einer Ausfüh rungsform ist das Leitelement 168 als Stapel von weichmagnetischen Blechen reali siert. Die Bleche können Mu-Metall umfassen.
Der Magnet 170 kann beispielsweise als Permanentmagnet oder als Elektromagnet aufgebaut sein. Feldlinien des Magneten 170 können mittels des Leitelements 168 derart geformt werden, dass sich zwischen den Enden 166 ein relativ starkes oder relativ homogenes Magnetfeld einstellt, das in Figur 1 durch parallele Pfeile ange deutet ist. Ein Abstand zwischen den Enden 166 ist bevorzugt so klein wie möglich zu wählen, ohne die Beweglichkeit der Magnetanordnung 162 gegenüber dem Mag netfeldsensor 164 zu beeinträchtigen. Ein externes Magnetfeld kann durch das Lei telement 168 so umgelenkt werden, dass es das Magnetfeld zwischen den magneti schen Polen N und S verstärkt oder schwächt, aber bevorzugt nicht oder nur wenig in seiner Richtung beeinflusst.
Der Magnetfeldsensor 164 ist beispielhaft auf einer Leiterplatte 172 angebracht, die mittels eines Trägers 174 an der Kugelpfanne 1 10 befestigt ist. Dabei durchläuft der T räger 174 vorliegend eine Aussparung 176 in der Kugel 1 15. Der T räger 174 kann eine elektrische Leitung zur Übermittlung von Energie oder Signalen vom oder zum Magnetfeldsensor 164 führen. Optional ist der T räger 174 zwischen der Oberschale 125 und der Unterschale 130 gehalten, sodass er nach dem Trennen der Schalen 125, 130 freikommt und zusammen mit dem Magnetfeldsensor 164 aus der Kugel 1 15 entnommen werden kann, um einen Austausch der Kugel 1 15 am Bedienele ment 100 zu ermöglichen.
Der Magnetfeldsensor 164 ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Richtung eines ihn umgebenden Magnetfelds, insbesondere des durch die Magnetanordnung 162 be reitgestellte Magnetfelds, zu bestimmen. Dazu kann der Magnetfeldsensor dazu ein gerichtet sei, die Stärken des Magnetfelds entlang einer oder mehrerer Raumrichtun gen zu bestimmen, die bevorzugt paarweise aufeinander senkrecht stehen oder zu mindest spitze Winkel miteinander einschließen. Bevorzugt fällt in keiner Stellung der Magnetanordnung 162 gegenüber dem Magnetfeldsensor 164 eine der Raumrich tungen mit einer Drehachse 156-160, um die ein Drehwinkel bestimmt werden soll, zusammen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Magnetfeldsensor 164 nicht mehr Raumrichtungen abdeckt als Drehachsen 156-160 vorliegen, um die jeweils ein Drehwinkel bestimmt werden soll. Übersteigt die Zahl der Raumrichtungen die der Drehachsen 156-160, so kann die Ausrichtung unkritisch sein.
In einer Ausführungsform ist eine Verarbeitungseinrichtung 178 vorgesehen, die ins besondere dazu eingerichtet ist, auf der Basis von Messwerten, die der Magnetfeld sensor 164 bereitstellt, Drehwinkel um eine oder mehrere Drehachsen 156-160 zu bestimmen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung 178 zunächst eine Richtung des Magnetfelds auf der Basis der bestimmten Stärken des Magnetfelds entlang der Raumrichtungen bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung 178 kann auch mit dem Magnetfeldsensor 164 integriert ausgeführt sein. Es können auch eine integrierte und eine separate Verarbeitungseinrichtung 178 vorgesehen sein. In der dargestellten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung 178 zusammen mit dem Magnet feldsensor 164 im Inneren der Kugel 1 15 angeordnet. Die Verarbeitungseinrichtung 178 allgemein flexibel positioniert werden, insbesondere auch außerhalb der Kugel 1 15 bzw. des Kugelgelenks 110. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich möglichst nur der Magnetfeldsensor 164 innerhalb der Kugel, sodass das Kugelgelenk 1 10 sehr klein ausgeführt werden kann.
Das Bedienelement 100 kann als einfache mechanische Vorrichtung ausgeführt sein, die eine Betätigung durch einen Benutzer erlaubt, wobei die Betätigung mittels der Sensoranordnung 105 abgetastet wird. Die Sensoranordnung 105 kann eine genaue und störungsresistente Bestimmung von Drehwinkeln um eine oder mehrere Dreh achsen 156-160 bereitstellen. Ein besonderer Vorteil bei der gezeigten Kombination des Bedienelements 100 mit der Sensoranordnung 105 liegt darin, dass eine hapti sche Charakteristik des Bedienelements 100 durch die Ausführung nur eines einzi gen Teils, nämlich der Kugel 1 15, gesteuert werden kann. Durch Austausch der Ku gel 115 (zusammen mit eventuell mit ihr verbundenen Teile wie des Betätigungshe bels 135) kann das Bedienelement 100 an stark unterschiedliche Vorgaben ange passt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Magnetfeldsensor 164 mittels einer Kapselung 180 umgeben sein, um den Magnetfeldsensor 164 gegen Feuchtigkeit oder Verschmutzung zu schützen, die ins Kugelgelenk 110 eindringen könnten. Opti onal können außer dem Magnetfeldsensor 164 auch die Verarbeitungseinrichtung 178, die Leiterplatte 172, sowie zumindest ein Abschnitt des Trägers 174 von der Kapselung 180 umschlossen sein. Die Kapselung 180 kann gegenüber dem Träger 174 abgedichtet sein, beispielsweise mittels Verkleben oder Verschweißen. Die Kap selung 180 kann wie dargestellt eng an den umfassten Elementen anliegen und bei spielsweise durch einen Schrumpfschlauch oder eine Vergussmasse realisiert sein.
In einer anderen Ausführungsform kann die Kapselung 180 auch einen einseitig of- fenen, insbesondere starren Hohlkörper umfassen, in den der Magnetfeldsensor 164 eingeführt werden kann. Die Kapselung 180 kann beispielsweise zylinderförmig sein, wobei bevorzugt ein Ende des Zylinders geschlossen ist. In Varianten können auch eine Hülse oder ein Rohr verwendet werden. Als Material ist ein Kunststoff oder ein anderer nichtmagnetischer Werkstoff bevorzugt.
Die Kapselung 180 kann eine weitgehende oder vollständige Trennung des Magnet feldsensors 164 und gegebenenfalls weiterer stromdurchflossener Komponenten von mechanischen Komponenten des Bedienelements 100 erlauben. Die Kapselung 180 kann aufgenommene Komponenten gegen Schmutz, Staub, Feuchtigkeit oder Fremdkörper schützen, die bei der Benutzung in den Bereich des Bedienelements 100 gelangen können. Außerdem kann ein Schutz gegen ein Schmiermittel erreicht werden, das zwischen der Kugel 1 15 und der Kugelpfanne 120 eingesetzt werden kann.
Figur 2 zeigt exemplarische weitere beispielhafte Ausführungsformen für Magnetan ordnungen 162, die an einer Sensoranordnung 105 eingesetzt werden können. In Figur 2 gezeigte Merkmale oder genannte Vorteile können unter den verschiedenen Ausführungsformen der Magnetanordnung 162 übertragbar sein.
Figur 2a zeigt eine Ausführungsform, bei der der Magnet 170 oder das magnetische Leitelement 168 als Ring oder als Hohlzylinder ausgeführt ist. Das Magnetfeld ver läuft entlang einer Mittelachse des Rings oder Hohlzylinders und der Magnetfeld sensor 162 ist im Hohlraum des Zylinders oder im Innenraum des Rings angeordnet. In weiteren Varianten können ein hohlzylindrisches Leitelement 168 und einer oder mehrere ringförmige Magneten 170 vorgesehen sein, die das Leitelement 168 um geben. Ein Ringspalt zwischen dem Magneten 170 und dem Leitelement 168 ist da bei bevorzugt klein gehalten.
Figur 2b zeigt eine Ausführungsform, die der von Figur 1 ähnelt, wobei sich jedoch die Enden 166 des Leitelements 168 jeweils in Richtung des Magnetfeldsensors 164 erstrecken. Die Enden 166 können allgemein zumindest abschnittsweise plan sein und die planen Abschnitte können zueinander parallel sein. Figur 2c zeigt eine Ausführungsform mit mehreren Magneten 170, die hier exempla risch im Bereich der Enden 166 des Leitelements 168 angebracht sind. Die Vertei lung von Magneten 170 am Leitelement 169 kann auch asymmetrisch sein und es können auch mehr als zwei Magneten 170 verwendet werden.
Bezuaszeichen 00 Bedienelement
05 Sensoranordnung
10 Kugelgelenk
15 Kugel
20 Kugelpfanne
125 Oberschale
130 Unterschale
135 Betätigungshebel
140 Ausschnitt
145 Rasteinrichtung
150 Vertiefung
152 Rastelement
154 elastisches Element
156 erste Drehachse
158 zweite Drehachse
160 dritte Drehachse
162 Magnetanordnung
164 Magnetfeldsensor
166 Ende
168 magnetisches Leitelement
170 Magnet
172 Leiterplatte
174 Träger
176 Aussparung
178 Verarbeitungseinrichtung
180 Kapselung
N magnetischer Nordpol
S magnetischer Südpol

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (105), die folgendes umfasst: einen Magnetfeldsensor (164), der dazu eingerichtet ist, die Feldrichtung eines ihn umgebenden Magnetfelds zu be stimmen; und eine Magnetanordnung (162) mit einem magnetischen Leitelement mit zwei magnetischen Polen (N, S), zwischen denen ein Magnetfeld herrscht; wobei der Magnetfeldsensor (164) zwischen den magnetischen Polen (N, S) angeordnet ist; und wobei der Magnetfeldsensor (164) gegenüber der Magnetordnung (162) um eine erste Drehachse (156-160) drehbar gelagert ist, die durch den Magnetfeldsensor (164) verläuft.
2. Sensoranordnung (105) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetanordnung (162) dazu eingerichtet ist, ein im Bereich des Magnetfeldsensors (164) homogenes Magnetfeld zu erzeugen.
3. Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (164) dazu eingerichtet ist, entlang mehrerer Raumrichtungen Stärken des ihn umgebenden Magnetfelds zu bestimmen, ferner umfassend eine Verarbeitungseinrichtung (174), die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der Stärken einen Drehwinkel des Magnetfeldsensors (164) gegenüber der Magnetanordnung (162) um die erste Drehachse (156-160) zu bestimmen.
4. Sensoranordnung (105) nach Anspruch 3, wobei die Verarbeitungseinrichtung (174) dazu eingerichtet ist, zu bestimmen, in welchen einer Anzahl vorbestimmter, disjunkter Drehwinkelbereiche der Drehwinkel fällt.
5. Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magnetanordnung (162) ein im Wesentlichen U-förmiges magnetisches Leitelement (168) umfasst.
6. Sensoranordnung (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (164) gegenüber der Magnetanordnung (162) um eine zweite Drehachse (156-160) drehbar gelagert ist, die durch den Magnetfeldsensor (164) verläuft, wobei die beiden Drehachsen (156-160) im Wesentlichen aufeinander senk recht stehen.
7. Sensoranordnung (105) nach Anspruch 6, wobei der Magnetfeldsensor (164) ge genüber der Magnetanordnung (162) um eine dritte Drehachse (156-160) drehbar gelagert ist, die durch den Magnetfeldsensor (164) verläuft, wobei die drei Drehach sen (156-160) im Wesentlichen aufeinander senkrecht stehen.
8. Bedienelement (100) mit einer Sensoranordnung (105) nach einem der vorange henden Ansprüche, ferner umfassend ein Kugelgelenk (1 10) mit einer Kugel (1 15) und einer Kugelpfanne (120), wobei der Magnetfeldsensor (164) an der Kugel (115) und die Magnetanordnung (162) an der Kugelpfanne (120) angebracht ist oder um gekehrt; und wobei zwischen der Kugel (1 15) und der Kugelpfanne (120) eine Rasteinrichtung (145) mit einer Vertiefung (150) und einem Rastelement (152) zum Eingriff in die Vertiefung (150) vorgesehen ist.
9. Bedienelement (100) nach Anspruch 8, wobei die Rasteinrichtung (145) dazu ein gerichtet ist, eine Bewegung der Kugel (115) in der Kugelpfanne (120) nach Art einer Schaltkulisse auf einen vorbestimmten Pfad zu beschränken.
10. Bedienelement (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vertiefung (150) an der Kugel (1 15) und das Rastelement an der Kugelpfanne (120) vorgesehen sind.
1 1. Bedienelement (100) nach Anspruch 10, wobei ein Betätigungshebel (160) ein stückig an der Kugel (115) ausgebildet ist.
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