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Die
Erfindung betrifft einen um mindestens zwei Achsen verstellbaren
Spiegel mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Spiegelstellung
nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs.
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In
Kraftfahrzeugen sind elektrisch angetriebene Spiegel bekannt, die
sich vom Benutzer mittels Betätigung
von elektrischen Schaltern speziell auf die Bedürfnisse des individuellen Be
nutzers einstellen lassen. Zum Teil kann die Spiegeleinstellung über benutzerspezifische
Auswahlmenues und über
elektronisch abgespeicherte Kennfelder auch automatisch erfolgen.
In jedem Fall benötigen
derartige Spiegelsysteme Spiegelwinkel-Verstelleinrichtungen, die auf
ein von einer Steuereinheit kommendes Steuersignal ansprechen und
den Spiegel des Kraftfahrzeugs in die gewünschte Richtung neigen. Detektoren
ermitteln die Position bzw. die Stellung des Spiegels und liefern
Positionsdaten an die Steuereinheit. Als Detektormittel werden vorwiegend
sogenannte Linearpotentiometer eingesetzt, die die Spiegelstellung durch
mechanischen Kontakt abtasten. Zudem wurden in der Vergangenheit
in Patentschriften auch optische Detektormittel oder mechanische
Drehwinkelgeber vorgeschlagen. Derartige Detektormittel haben verschiedene
Nachteile. Zum einen müssen
sie stets als separates mechanisches Bauelement ausgebildet werden,
das sich nur in beschränktem
Maße verkleinern
läßt. Es muß also innerhalb
der Spiegelgehäuse
ein relativ großer
Bauraum vorgehalten werden, um die Detektormittel unterbringen zu
können. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, daß sich mechanische Detektormittel
bestenfalls als Hybride mit elektronischen Auswerteeinheiten verbinden
lassen. Ein weiterer Nachteil mechanischer Detektormittel ist darin
zu sehen, daß sie
stets einen mechanischen Kontakt mit dem Spiegel benötigen und
einem Verschleiß unterworfen
sind. Insbesondere der erforderliche mechanische Kontakt schränkt die
Freiheit der Positionierung der Detektormittel bei der Platzierung im
Spiegelgehäuse
ein. Ein weiterer Nachteil mechanischer Detektormittel zur Positionsbestimmung
von KFZ-Spiegeln liegt in der benötigten Anzahl der Detektormittel.
KFZ- Spiegel müssen
mindestens um zwei Dreh achsen verstellbar sein. Bei der Verwendung
von mechanischen Detektormitteln wird für jeden Freiheitsgrad ein separates
Detektormittel benötigt,
was stets einen zusätzlichen
Aufwand mit sich bringt.
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Aus
der
DE 41 41 000 A1 ist
eine Anordnung zur Messung von Distanzen und Drehwinkeln, insbesondere
bei Elektromotoren, bekannt. Ein drehbar bewegliches Teil, insb.
der Rotor, weist eine periodische Struktur auf und ein feststehendes
Teil, insb. der Stator, umfasst an mindestens drei Stellen Sensoren zur
Erfassung der periodischen Struktur. Der phasenversetzte Verlauf
der Sensorsignale wird mittels einer Integraltransformation ausgewertet,
um den Drehwinkel zu ermitteln.
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Aus
der
US 5,160,918 A ist
eine Joystick-Steuereinheit bekannt. Bei dieser wird die Stellung
eines beweglichen Elements mittels Detektormittel aus einem Array
von Magnetfeldsensoren erfasst. Hierbei werden zwei Winkelstellungen
um zwei Drehachsen ermittelt.
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Aus
der
DE 39 23 174 C2 ist
eine elektrische Rückspiegelvorrichtung
für ein
Kraftfahrzeug bekannt. Diese umfasst ein Gehäuse und einen Spiegelkörper, der
drehbar zum Gehäuse
gelagert ist. Zudem weist die Rückspiegelvorrichtung
eine Einrichtung zum Erfassen einer Lage des Spiegelkörpers auf.
Hierbei sind stangenförmige
Permanentmagnete vorgesehen, deren Lagen von zwei Hall-Magnet-Sensoren
erfasst werden. Ausgehend von den erfassten Lagedaten werden mittels
einer Auswerteeinheit die Drehlagen des Spiegelkörpers in vertikaler und horizontaler
Richtung ermittelt.
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Erfindungsgemäße Aufgabe
ist es daher, einen Spiegel, insbesondere einen KFZ-Spiegel mit
einer mindestens zweiachsigen Erfassung der Winkeleinstellung des
Spiegels zu schaffen, wobei die Detektionsmittel berührungslos
und verschleißlos
arbeiten und derart ausgestaltet sind, dass mit einem Detektormittel
mindestens zwei Winkeleinstellungen um zwei verschiedene Drehachsen
erfasst werden und der Spiegel einfach und kostengünstig herstellbar und
einbaubar ist. Zudem sollen die Detektormittel miniaturisierbar
sein.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und
in der Beschreibung enthalten.
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Die
Erfindung baut auf der Magnetfeldempfindlichkeit von Magnetfeldsensoren
wie z.B. Hallsensoren oder magnetoresisitiven Sensoren auf. Ein Spiegel
bzw. ein Spiegelgehäuse
ist um mindestens zwei Achsen drehbar auf einer Spiegelhalterung
gelagert. Ein Sensorarray mit mindestens vier Sensoren bzw. mindestens
vier Sensorplatten erfasst die Spiegelstellung in Bezug auf einen
linear magnetisierten Bereich, dessen lineare Anordnung der Nord- und
Südpole
von dem Sensorarray detektiert wird. Pro Drehachse werden vorzugsweise
mindestens zwei Sensorplatten zur Bestimmung des Drehwinkels um
die betreffenden Drehachsen eingesetzt. Für zwei Drehachsen wird also
vorzugsweise ein Sensorarray mit vier Sensorplatten eingesetzt.
Für drei Drehachsen
wird vorzugsweise ein Sensorarray mit sechs Sensorplatten eingesetzt.
Das Sensorarray ist zusammen mit der zugehörigen Auswerteelektronik miniaturisierbar
und als planares Array hergestellt. Im Fall der Verwendung von Hallsensoren
ist das Sensorarray zusammen mit der Auswerteelektronik monolithisch
herstellbar.
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Mit
der Erfindung werden hauptsächlich
die folgenden Vorteile erzielt.
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Ein
planares Array von Magnefeldsensoren läßt sich miniaturisieren. Mit
einem Array lassen sich Drehbewegungen um mehrere Drehachsen erfassen.
Damit lassen sich mit einem miniaturisierbaren Detektormittel Drehwinkel
um mehrere Drehachsen erfassen. Die miniaturisierten Detektormittel
ermöglichen
eine kostengünstige
Herstellung sowohl der Detektormittel als auch der Spiegel. Durch
die Konzentration der Sensorplatten auf ein Array kann der im Stand
der Technik notwendige Aufwand der entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik
in ganz erheblichem Maße
verringert werden, wodurch bei den mit dieser Technik ausgestatteten
Spiegeln der für
die Sensoren vorgehaltene Bauraum verringert werden kann. Die Miniaturisierung
der Detektormittel ermöglicht
bei der konstruktiven Gestaltung der Spiegel viel mehr Möglichkeiten
für die
Anordnung der Detektormittel. Zudem arbeiten Magnetfeldsensoren
berührungslos
und damit verschleißfrei.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Eine
schematische Schnittdarstellung in der Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Spiegels mit Magnetfeldsensoren-Array bzw. Hallsensor-Array und magnetisiertem
Bereich, wobei das Sensorarray in der Spiegelhalterung angeordnet
ist.
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2 Eine
schematische Schnittdarstellung in der Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Spiegels mit Magnetfeldsensoren-Array bzw. Hallsensor-Array und magnetisiertem
Bereich, wobei das Sensor-Array im Spiegelgehäuse angeordnet ist.
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3 Eine
beispielhafte schematische Schnittdarstellung in der Rückansicht
eines erfindungsgemäßen Spiegels.
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4 Eine
mögliche
Anordnung der Sensorplatten auf dem Sensor-Array und deren relative
Ausrichtung zum linear magnetisierten Bereich.
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5 Eine
andere mögliche
Anordnung der Sensorplatten auf dem Sensor-Array und deren relative
Ausrichtung zum linear magnetisierten Bereich.
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In
den folgenden Ausführungsbeispielen wird
die Erfindung anhand von Hallsensoren bzw. Hallplatten beschrieben.
Es ist jedoch wie bereits ausgeführt
auch die Verwendung anderer Magnetfeldsensoren wie z.B. die Verwendung
von magnetoresistiven Sensoren möglich.
Bei der Verwendung von magnetoresistiven Sensoren ist bei der Miniaturisierung
des Sensorarrays zu berücksichtigen,
daß das
Sensorarray in Hybridtechnik aufgebaut wird und nicht monolithisch
hergestellt wird. Die Verwendung von Hallsensoren wird deshalb als
die vorteilhafteste und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angesehen
und im folgenden im Detail beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung in der Seitenansicht eines
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Spiegels mit Hallsensor-Array und magnetisiertem Bereich,
wobei das Hallsensorarray in der Spiegelhalterung angeordnet ist.
An einer Spiegelhalterung 1 mit Kugelgelenk 2 ist ein
Spiegelgehäuse 3 angelenkt.
An dem Spiegelgehäuse
ist ein Spiegel 4 befestigt. Im Inneren des Kugelgelenks 2 ist
ein Hallsensorarray 5 angeordnet, auf dem schematisch mehrere
Hallplatten 6 gezeigt sind. Das Hallsensorarray ist in
der Seitenansicht dargestellt, mit seiner schmalsten Seite zum Betrachter.
Auf oder im Spiegelgehäuse
ist ein linear magnetisierter Bereich 7 angeordnet. Der
Bereich 7 ist lediglich schematisch und beispielhaft dargestellt.
Die Orientierung des Bereichs 7 kann wie gezeigt ausgeführt sein.
Es sind jedoch auch beliebig viele andere Orientierungen möglich, insbesondere
kommen auch Orientierungen in Betracht, die senkrecht zu der in 1 gezeigten
angeordnet sind. Der linear magnetisierte Bereich 7 kann
als integraler Bestandteil des Spiegelgehäuses ausgebildet sein. Der
lineare magnetisierte Bereich kann auch auf der Rückseite
des Spiegels 4 ausgebildet sein. In diesem Fall kann mit Vorteil
die metallisierte Reflexionsschicht der Spiegelrückseite linear magnetisiert
sein und somit einen magnetisierten Bereich 7 ausbilden.
Der magneti sierte Bereich 7 kann aber auch als separater
Stabmagnet ausgebildet sein, der als separates Bauteil im Spiegelgehäuse 4 angeordnet
wird. Es sind weitere Magnetformen wie Magnetplatten, Magnetzylinder oder
Magnetringe verwendbar, sofern ihr Magnetfeld eine Vorzugsrichtung
aufweist. Das Hallsensorarray verfügt über Versorgungsleitungen 8.
Die Versorgungsleitungen 8 versorgen die auf dem Hallsensorarray
angeordneten Hallplatten und die auf dem Array integrierte Auswerteelektronik
mit der notwendigen Betriebsspannung. Weiterhin ermöglichen
die Versorgungsleitungen den Anschluß des Hallsensorarrays an weitere
Geräte.
Beispielhaft ist der Anschluß des
Hallsensorarrays an ein Steuergerät ST gezeigt. Mit einem derartigen
Steuergerät
können z.B.
die Signale der auf dem Hallsensorarray integrierten Auswerteelektronik,
die die Information zur aktuellen Position des Spiegels 4 enthalten,
eingelesen werden und daraus Steuerkommandos abgeleitet werden für nicht
gezeige Stellmotoren im Spiegel selbst oder für Stellmotoren in anderen Spiegeln,
deren Spiegelstellung mit der Stellung des gezeigten Spiegels abgeglichen
oder angeglichen werden soll. In diesem Fall kann z.B. bei der Verwendung
der erfindunggemäßen Spiegel
in Kraftfahrzeugen, ein Spiegel z.B. der Innenspiegel als Führungsspiegel für die Außenspiegel
dienen. Der Benutzer würde
in diesem Fall in gewohnter Weise den Innenspiegel manuell nach
seinen Bedürfnissen
einstellen, das Hallsensorarray würde die Spiegelstellung des
Innenspiegels erfassen und die Positionsdaten zur Spiegelstellung über die
Verbindungsleitungen 8 an eine Steuereinheit ST weitergeben.
In der Steuereinheit werden dann Steuersignale für die Stellmotoren der mit
dem Innenspiegel korrespondierenden Außenspiegel erzeugt. Die hierfür notwendigen
Steuersignale werden aus Kennfeldern, die z.B. in der Steuereinheit
abgelegt sind, abgeleitet. Dem Benutzer ist damit die Möglichkeit
gegeben, über
die einfache manuelle Verstellung des Innenspiegels, die übrigen am Fahrzeug
vorhandenen Spiegel, insbesondere die Außenspiegel, automatisch mit
einzustellen, so daß z.B.
bei einem Fahrerwechsel der neue Fahrer nur noch einen Spiegel auf
seine Bedürfnisse
einstellen muß und
nicht zwei oder drei verschiedene Spiegel neu zu justieren braucht.
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung in der Seitenansicht eines
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Spiegels mit Hallsensor-Array und magnetisiertem Bereich,
wobei das Hallsensor-Array im Spiegelgehäuse angeordnet ist. In der
Ausführungsform
nach
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2 befindet
sich der linear magnetisierte Bereich 7 im Inneren des
Kugelgelenks 2. Falls das Kugelgelenk aus magnetisierbarem
Material ausgebildet ist, wird zweckmäßigerweise der Kugelkopf 2 selbst
linear magnetisiert. Im Falle daß das Kugelkopfgelenk 2 aus
einem nicht magnetisierbaren Material z.B. aus einem Kunststoff
besteht, wird zweckmäßigerweise
ein getrennter Magnet in das Innere des Kugelkopfgelenks eingebracht.
Das Hallsensorarray 5 mit den Hallplatten 5 ist
in dem Ausführungsbeispiel
nach 2 entweder mit dem Spiegelgehäuse 3 oder mit der
Rückseite
des Spiegels 4 verbunden. Desweiteren enthält das Ausführungsbeispiel
nach 2 die gleichen Vorrichtungen und Funktionen wie
das Ausführungsbeispiel
nach 1, was auch durch die Bezeichnung gleicher Vorrichtungen
mit gleichen Bezugsziffern zum Ausdruck gebracht wird.
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3 zeigt
eine beispielhafte schematische Darstellung in der Rückansicht
eines erfindungsgemäßen Spiegels.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Hallsensorarray 5 mit den Hallplatten 6 außen an der
Rückseite
des Spiegels 3 angebracht. Im Kugelgelenk des Spiegelfusses 1 ist
ein linear magnetisierter Ringmagnet 7 angeordnet. Die übrigen bereits aus
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bekannten Elemente wie Versorgungsleitungen und Steuergerät sind in 3 der
Einfachheit halber nicht dargestellt, wenngleich sie natürlich zur
Ausführung der
Erfindung ebenfalls vorhanden sind.
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4 zeigt
eine mögliche
Anordnung der Hallplatten auf dem Hallsensor-Array und deren relative
Ausrichtung zum linear magnetisierten Bereich. Auf einem planaren
Hallsensorarray 5 sind 4 Hallplatten A, B, C,
D und eine Auswerteeinheit AE angeordnet. Das planare Array 5 ist
vorzugsweise monolithisch hergestellt. Ein linear magnetisierter
Bereich 7 ist beispielhaft in Form eines Stabmagneten dargestellt.
Der Stabmagnet 7 ist drehbar um zwei Achsen gelagert. Zur
Erläuterung
ist ein gedachtes dreiachsiges rechtsgängiges Koordinatensystem gezeigt.
Die weiteren Ausführungen
beziehen sich jeweils auf die Achsen des dargestellten Koordinatensystems.
Der Stabmagnet 7 ist drehbar um die y-Achse und um die x-Achse
gelagert. Zur Erfassung der Winkelstellung des Stabmagneten ist
das planare Hallsensorarray in einer x-y-Ebene angeordnet. Die kleeblattartige
Anordnung der Hallplatten A, B, C, D ist derart gewählt, daß eine gedachte
Linie durch die Hallplatten C und D, mit y-Basis bezeichnet, sich im
rechten Winkel mit einer gedachten Linie durch die Hallplatten A
und B, mit x-Basis bezeichnet, schneidet. Die räumliche Ausrichtung des Hallsensorarrays
als ganzes wird derart gewählt,
daß die
beiden gedachten Linien durch die Hallplatten parallel zu den beiden
orthogonalen Drehachsen des linear magnetisierten Bereichs 7 ausgerichtet
sind. Im gezeigten Beispiel ist also die x-Basis parallel zur derjenigen
Drehachse, die mit der x-Achse zusammenfällt, und die y-Basis ist parallel
zur derjenigen Drehachse, die mit der y-Achse zusammenfällt. Bezeichnet
man zweckmäßigerweise
die Hallspannungen der einzelnen Hallplatten ebenfalls mit A, B,
C, D so lassen sich die Hallplatten und die zugehörigen Hallspannungen
wie folgt zu einem x-Signal und einem y-Signal zusammenschalten: y-Signal = (A – B)/(A + B) x-Signal
= (C – D)/(C
+ D)wobei A, B, C, D die Hallspannungen der Hallplatten A,
B, C, D bedeuten. Damit ist das x-Signal ein Maß für die Drehung des linear polarisierten
Bereichs um die x-Achse und das y-Signal ein Maß für die Drehung des linear polarisierten
Bereichs um die y-Achse. Tests zu dieser kleeblattartigen Anordnung
der Hallplatten A, B, C, D haben gezeigt, daß sich mit dieser Anordnung
ein ausreichender Winkelbereich für die Spiegelstellung ausmessen
läßt und zwar
mit einem linearen Zusammenhang von Winkel und Signal. Der Abstand
der Hallplatten betrug in einer ersten Testreihe 2 mm und in einer
weiteren Testreihe 4 mm. Um von Feldstärke- und Temperaturschwankungen
relativ unabhängig
zu sein, wird noch durch die Summe der Sensorsignale als ein Maß für die Feldstärke dividiert.
Vorzugsweise wird die beschriebene Rechenoperation in der Auswerteeinheit
AE auf dem Hallsensorarray ausgeführt.
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5 zeigt
eine andere mögliche
Anordnung der Hallplatten auf dem Hallsensor-Array und deren relative
Ausrichtung zum linear magnetisierten Bereich. Ein gedachtes rechtsgängiges Koordinatensystem
gibt zur Erläuterung
die Orientierung im Raum an. Der linear polarisierte Bereich
7 ist
beispielhaft als Stabmagnet gezeigt, der um die y-Achse und um die
x-Achse drehbar ist. Die Orientierung des Hallsensorarrays relativ
zum Stabmagneten läßt sich am
besten beispielhaft anhand des gedachten Koodinatensystems beschreiben.
Danach ist ein Hallsensorarray
5 in einer x-y-Ebene angeordnet.
Das Hallsensorarray
5 enthält vier Hallplatten A, B, C,
D und eine Auswerteeinheit AE. Vorzugsweise ist das Hallsensorarray
monolithisch hergestellt. Sofern die z-Achse des gedachten Koordinatensystems
die Horizontale angibt, sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils die
Hallplatten A und B sowie die Hallplatten C und D paarweise horizontal
nebeneinander angeordnet. Bezeichnet man wiederum die Hallspannungen
der Hallplatten A, B, C, D ebenfalls mit A, B, C, D, so werden in
diesem Ausführungsbeispiel
folgende Signale gebildet:
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Das
x'-Signal ist dann
ein Maß für die Drehung
des linearen Bereichs um die x-Achse. Das y'-Signal ist ein Maß für die Drehung des linearen
Bereichs um die y-Achse. Zur Erläuterung
sind in 5 die gedachten Linien x-Basis
und y-Basis strichpunktiert im Hallsensorarray eingetragen. Die
x-Basis korrespondiert zur Drehung um die x-Achse und die y-Basis
korrespondiert mit der Drehung um die y-Achse. Tests zu dieser paarweise
horizontal parallel ausgerichteten Anordnung der Hallplatten A,
B, C, D haben gezeigt, daß sich
mit dieser Anordnung ebenfalls ein ausreichender Winkelbereich für die Spiegelstellung
ausmessen läßt und zwar
mit einem linearen Zusammenhang von Winkel und Signal. Der Abstand
der Hallplatten betrug in einer ersten Testreihe 2 mm und in einer
weiteren Testreihe 4 mm. Um von Feldstärke- und Temperaturschwankungen
relativ unabhängig
zu sein, wird noch durch die Summe der Sensorsignale als ein Maß für die Feldstärke dividiert.
Vorzugsweise wird die beschriebene Rechenoperation in der Auswerteeinheit
AE auf dem Hallsensorarray ausgeführt.
