DE202005016333U1 - Hall-effect sensor for determination of motor vehicle seat position, has actuator including actuating surfaces that are moved in direction of track and are guided over sensor coils whose change in inductance corresponds to actuator position - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive Sensoreinheit, die insbesondere für die Positionserkennung eines Fahrzeugsitzes oder für eine Kulissenschaltung eines automatischen Getriebes (Wählhebelmodul) geeignet ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfasst auch eine Wegmessung an Federelementen eines Fahrwerks.The The invention relates to an inductive sensor unit, in particular for the Position detection of a vehicle seat or for a gate circuit of a automatic transmission (selector lever module) suitable is. The field of application of the invention also includes a Distance measurement on spring elements of a chassis.
Die Erfindung ist eingebettet in die Entwicklung fehlertoleranter, sicherer-Steuerungssysteme in Fahrzeugen, bei denen elektronische Kabel die herkömmlichen hydraulischen und mechanischen Verbindungen ersetzen (X-By-Wire). Die Erfindung eignet sich besonders für Aufgaben der Wegmessung, bei denen Distanzen von mehr als 30 mm zu bestimmen sind.The Invention is embedded in the development of fault-tolerant, safer control systems in vehicles where electronic cables are the conventional ones replace hydraulic and mechanical connections (X-By-Wire). The invention is particularly suitable for Tasks of displacement measurement, where distances of more than 30 mm to be determined.
Das beschriebene Sensorsystem kann auch für Winkelmessungen verwendet werden, um ein Kreissegment oder eine komplette Umdrehung zu detektieren. Anwendungen hierfür sind im Automobilbereich beispielsweise die Messung der Sitzlehnenposition oder die Messung der Stellung eines Fußpedals.The described sensor system can also be used for angle measurements to detect a circular segment or a complete revolution. Applications for this are in the automotive sector, for example, the measurement of the seat back position or measuring the position of a foot pedal.
Die induktive Sensoreinheit weist eine Mehrzahl von Sensorspulen auf, die planar auf einer Leiterplatte aufgebracht sind. Diese Sensorspulen arbeiten mit einem leitfähigen Betätigungselement zusammen, das beabstandet auf einer vorgegebenen Bahn über die Sensorspulen hinweggeführt wird. Das leitfähige Betätigungselement löst aufgrund von Wirbelstromeffekten Induktivitätsänderungen in den Sensorspulen aus. Die Induktivität einer Sensorspule wird durch die Wirbelströme umso stärker vermindert, je benachbarter das Betätigungselement an der Sensorspule liegt. Zu der induktiven Sensoreinheit gehört auch eine elektrische Auswerteschaltung, die diese Induktivitätsänderungen der Sensorspulen entsprechend der Bahnposition und entsprechend dem Abstand des Betätigungselements von der Sensorspule erfasst und in elektrische Signale ummünzt. Die elektrischen Signale sind insbesondere Sitzpositionssignale oder Gangschaltsignale oder Fahrwerkfedersignale.The inductive sensor unit has a plurality of sensor coils, which are applied planar on a printed circuit board. These sensor coils work with a conductive actuator together, spaced on a predetermined path across the Leaded away sensor coils becomes. The conductive actuator triggers due eddy current effects inductance changes in the sensor coils out. The inductance a sensor coil is all the more reduced by the eddy currents, the more adjacent the actuator is located on the sensor coil. Also part of the inductive sensor unit an electrical evaluation circuit that these inductance changes the sensor coils according to the track position and accordingly the distance of the actuating element detected by the sensor coil and converted into electrical signals. The electrical signals are in particular seating position signals or Gear shift signals or suspension spring signals.
Eine derartige Sensoreinheit, von der die Erfindung im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, ist aus der Offenlegungsschrift WO 2004/027994 A1 bekannt.A Such sensor unit, of which the invention in the preamble of Claim 1, is known from the publication WO 2004/027994 A1 known.
Aus diesem Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass die Wegmesssignale abstandsabhängig sind, d.h. wenn das Betätigungselement auf einer durch mechanische Toleranzen relativ zur Leiterplattenebene gekrümmten Bahn geführt wird oder wenn die Leiterplatte nicht eben ist, dann gehen Abstandsänderungen in die Messsignale ein. Die Leiterplatte kann in vorgegebener Weise gekrümmt sein oder es kann eine große, ebene Leiterplatte unbeabsichtigte Krümmungen aufweisen. Im Stand der Technik wird die Abstandsabhängigkeit durch eine Normierung und Kalibrierung in der elektronischen Auswerteschaltung ausgeglichen.Out In this state of the art, it is further known that the distance measuring signals distance-dependent are, i. when the actuator on one by mechanical tolerances relative to the circuit board level curved Track led or if the circuit board is not flat, then changes in distance will occur into the measuring signals. The circuit board can in a predetermined manner bent or it can be a big, planar circuit board have unintentional curvatures. In the state the technique becomes the distance dependence by standardization and calibration in the electronic evaluation circuit balanced.
Ferner ist im Stand der Technik die Positionserfassung des elektrischen Betätigungselements längs der Bahn, die über die Mehrzahl der Sensorspulen führt, so realisiert, dass die Induktivitätsänderungen jeweils benachbarter Sensorspulen miteinander verglichen werden. Diese Auswertung erlaubt lediglich eine Positionsauflösung gemäß dem Raster der benachbarten Sensorspulen.Further In the prior art, the position detection of the electrical Actuator along the Train that over the majority of the sensor coils leads, realized so that the inductance changes each adjacent Sensor coils are compared. This evaluation allows only a position resolution according to the grid of adjacent sensor coils.
Aus
dem Stand der Technik gemäß der deutschen
Patentschrift
Aus der Offenlegungsschrift US 2003/0169033 A1 ist ferner ein Sensorfeld zur berührungsfreien Positionsmessung bekannt. Dieses Sensorfeld wird zur Bestimmung der Wegposition eines Fahrzeugssitzes genutzt. Jedes Sensorelement erzeugt ein Ausgangssignal, das mit einer Position aus der Menge der möglichen Sitzpositionen korreliert. Für die Sensoren wird der Hall-Effekt genutzt. Zur Steuerung der Hall-Sensoren ist entweder ein Magnet vorgesehen, der an den Sensoren vorbeigeführt wird, oder es ist ein magnetisches Abschirmelement vorgesehen, das durch ein die Sensoren beaufschlagendes Magnetfeld geführt wird. Auch hier erlaubt die Signalauswertung nur eine beschränkte Positionsauflösung gemäß dem Raster der benachbarten Sensoren. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung im Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 17 aus.Out Laid-open publication US 2003/0169033 A1 is also a sensor field for non-contact Position measurement known. This sensor field is for determination used the Wegposition a vehicle seat. Each sensor element produces an output signal that coincides with a position from the set the possible Seat positions correlated. For the sensors use the Hall effect. For controlling the Hall sensors either a magnet is provided, which is guided past the sensors, or a magnetic shielding member is provided by a magnetic field acting on the sensors is guided. Also allowed here the signal evaluation only a limited position resolution according to the grid the neighboring sensors. From this state of the art goes the Invention in the preamble of the independent claim 17.
Die eingangs genannten fehlertoleranten, sicheren Steuerelektroniksysteme in Fahrzeugen verlangen grundsätzlich eine erhöhte Redundanz. Einige Komponenten müssen doppelt ausgelegt werden, um Fehlfunktionen mit Sicherheit zu vermeiden. So ist es beispielsweise aus dem induktiv arbeitenden Wählhebelmodul gemäß der WO 2004/027994 A1 bekannt, pro Schaltposition zwei Sensoreinheiten vorzusehen, d.h. die Leiterplatte ist zusätzlich mit Sicherheitssensoreinheiten und einem zweiten Betätigungselement bestückt. In ähnlicher Weise ist ein mit Hall-Sensoren arbeitendes Wählhebelmodul bekannt, das mit einer größeren Zahl von Hall-Sensoren so bestückt ist, dass jede Position von der Sensorik doppelt detektiert wird. Da die Sensoren einen erheblichen Teil der Systemkosten darstellen, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Redundanzanforderungen, welche diese Sensoreinheit vor dem Ausfall eines Sensorelements schützen, möglichst kostengünstig zu erfüllen.The fault tolerant mentioned above, si Chere control electronic systems in vehicles require in principle an increased redundancy. Some components must be duplicated to avoid malfunction with certainty. For example, it is known from the inductively operating selector lever module according to WO 2004/027994 A1 to provide two sensor units per switching position, ie the printed circuit board is additionally equipped with safety sensor units and a second actuating element. Similarly, a lever module operating with Hall sensors is known, which is equipped with a larger number of Hall sensors so that each position is detected twice by the sensor. Since the sensors represent a considerable part of the system costs, the object of the invention is to meet the redundancy requirements which protect this sensor unit against the failure of a sensor element as cost-effectively as possible.
Die Lösung gelingt nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 17 dadurch, dass das (leitfähige oder permanentmagnetische) Betätigungselement zwei oder mehr Grundflächen trägt, die in Richtung der Bewegungsbahn versetzt über die Sensoren (d.h. über die Sensorspulen oder Hall-Sensoren) geführt werden.The solution succeeds according to the independent claims 1 and 17 in that the (conductive or permanent magnetic) actuator two or more base areas wearing, offset in the direction of the trajectory via the sensors (i.e. Sensor coils or Hall sensors).
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, die notwendige Redundanz bei dem Betätigungselement vorzusehen anstatt bei den Sensoren. Das wird nachfolgend hauptsächlich am Beispiel eines Betätigungselements mit leitfähigen Bedämpfungsflächen für Sensorspulen beschrieben.The Principle of the invention is to provide the necessary redundancy to provide the actuator instead of the sensors. This will be explained below mainly on Example of an actuating element with conductive Bedding surfaces for sensor coils described.
Dadurch, dass zwei oder mehr Bedämpfungsflächen in Bahnrichtung versetzt sind, kann selbst bei Ausfall einer Sensorspule die Position des mit mehr als einer Bedämpfungsfläche ausgestatteten Betätigungselements hinreichend genau ermittelt werden.Thereby, that two or more damping surfaces in Rail direction are offset, even in case of failure of a sensor coil the position of the actuator provided with more than one cushioning surface be determined with sufficient accuracy.
Zweckmäßige Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Bevorzugt weist das Betätigungselement zwei oder drei versetzte Grundflächen auf, die kontaktlos über die Leiterplatte geführt werden. Je nach dem zur Verfügung stehenden Bauraum können die Grundflächen entweder auf einer Seite über die Leiterplatte gleiten oder sie können die Leiterplatte gabelförmig übergreifen. Die erste Möglichkeit führt zu einer geringeren Bauhöhe, während die zweite Möglichkeit den Einfluss des Abstandes zwischen der jeweiligen Grundfläche und der Leiterplatte verringert.Appropriate further education go from the subclaims out. Preferably, the actuating element two or three staggered bases on, the contactless over led the circuit board become. Depending on the available standing space can the bases either on one side over slide the circuit board or they can fork-shaped over the circuit board. The first possibility leads to a lower height, while the second possibility the influence of the distance between the respective base area and the printed circuit board is reduced.
Die Erfindung macht u.a. davon Gebrauch, dass durch eine Verdoppelung des (in der Regel rautenförmigen) Bedämpfungselements die Abstandsabhängigkeit der Messsignale verringert wird, wenn (i) eine einseitig planare Sensorspule gabelförmig durch das Betätigungselement überstrichen wird oder (ii) ein doppelseitig planares Spulenpaar gabelförmig überstrichen und in der Auswerteschaltung die Induktivitäten der gegenüberliegenden Sensorspulen seriell aneinander gereiht bzw. rechnerisch addiert werden. Durch diese Maßnahme wird die Normierung der Messsignale erleichtert und damit auch die Ortsauflösung zwischen benachbarten Sensorspulen präzisiert. Aufgrund dieser Maßnahme kann in der Auswerteschaltung sicherer entschieden werden, ob das leitfähige Betätigungselement eher die eine Sensorspule oder eher die andere Sensorspule überdeckt.The Invention makes u.a. of it use that by a doubling of the (usually diamond-shaped) damping element the distance dependence the measuring signals is reduced if (i) a one-sided planar Sensor coil forked through the actuator swept over or (ii) a double-sided planar coil pair is forked over and in the evaluation circuit, the inductances of the opposite Sensor coils are serially connected to each other or computationally added. By this measure the standardization of the measuring signals is facilitated and thus also the spatial resolution between specified adjacent sensor coils. Because of this measure can be made more secure in the evaluation circuit, whether the conductive actuator rather one sensor coil or rather the other sensor coil covers.
Zur Erfindung gehört auch, dass die Induktivitäten aller Sensorspulen – seriell im Zeitmultiplex oder auch parallel festgestellt – erfasst und mittels eines Algorithmus in eine aktuelle Bahnposition des Messelements (Betätigungselements) umgesetzt werden. Der Algorithmus kann beispielsweise den örtlichen Schwerpunkt aller Induktivitätsänderungen ermitteln oder er kann in einer anderen Variante eine quadratische Interpolation längs der Spulenreihung berechnen. Bei beiden Varianten spiegelt das Maximum der Signalverteilung die Bahnposition des Betätigungselements genauer als im Stand der Technik wieder. Beispielsweise können mit 15 Spulen 300 Positionen eines Fahrzeugsitzes aufgelöst werden. Gleichzeitig wird durch solche Auswerte-Algorithmen auch die Abstandsabhängigkeit des erzeugten Positionssignals verringert, weil die unterschiedlichen, jeweils abstandsabhängigen Messwerte längs der Bahn durch die Verrechnung in ihrer Abstandsabhängigkeit weniger ins Gewicht fallen.to Invention belongs also that the inductors all sensor coils - serial in time multiplex or also detected in parallel - detected and by means of an algorithm in a current track position of the measuring element (Operation member) be implemented. The algorithm can be local, for example Determine the focus of all inductance changes or he can in another variant a quadratic interpolation along the Calculate coil order. Both variants reflect the maximum the signal distribution the track position of the actuator more accurate than in the prior art again. For example, with 15 coils, 300 positions of a vehicle seat dissolved become. At the same time by such evaluation algorithms also the distance dependence of the generated position signal, because the different, each distance-dependent Measurements longitudinal the train by the offset in their distance dependence less important.
Die Auswerte-Algorithmen tragen auch dazu bei, den Ausfall einer Sensorspule zu kompensieren. Wenn an einer bestimmten Bahnposition eine Sensorspule (oder ein in Serie geschaltetes Spulenpaar) ausfällt, so kann das fehlende Signal durch Interpolation ersetzt werden. Denn die benachbarten Signale sind durch die versetzten Bedämpfungsflächen verlässlicher geworden.The Evaluation algorithms also contribute to the failure of a sensor coil to compensate. If at a certain track position a sensor coil (or a series-connected coil pair) fails, so can the missing signal be replaced by interpolation. Because the neighboring signals are more reliable due to the offset bedding surfaces become.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigt:embodiments The invention will be explained with reference to figures. It shows:
Die Erfindung geht konstruktiv von einer Sensoranordnung aus, wie sie in dem älteren Gebrauchsmuster 20 2004 019 489.9 beschrieben ist. Zum besseren Verständnis des Umfelds der vorliegenden Erfindung wird entsprechend Bezug genommen auf
- – die
Spulenanordnungen gemäß den
1 ,2 ,6 ,7 ,11a ,11b und11c ; - – die
Dämpfungskurven
gemäß den
3 ,4 ,8 ,9 und10 ; und - – die
Auswerteschaltung gemäß
5 .
- - The coil assemblies according to the
1 .2 .6 .7 .11a .11b and11c ; - - The damping curves according to
3 .4 .8th .9 and10 ; and - - The evaluation circuit according to
5 ,
Diese
Komponenten der Sensoranordnung können in den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung gleichermaßen verwendet werden. Weiterentwickelt
wird der in den
Während die
Redundanz des Doppelbetätigers
gemäß den
In
Fährt man
ein einzelnes Betätigungselement
Die
Kurvenform gilt aber nur, wenn der Abstand a des Betätigers 7
zum Sensor Li konstant ist. Verändert
man den Abstand an einer bestimmten Position, so ändert sich
der Dämpfungswert
gemäß
Lässt man
eine Abstandsänderung
zu, die in der Praxis wegen mechanischer Toleranzen immer auftritt,
so ist eine eindeutige Zuordnung zwischen Sensorsignal und Weg erschwert.
Um diesen Effekt zu eliminieren oder erheblich zu verkleinern, wird
ein gabelförmiger
Betätiger
gemäß
Wenn
beispielsweise in
Das
Addieren der Signale kann im Mikrokontroller
Die
Zahl der Sensorspulen ergibt sich aus dem Messbereich, der geforderten
Auflösung
und der geforderten Ausfallsicherheit in Verbindung mit den Trennschärfen des
Betätigungselements
Bewegt
man ein Betätigungselement
Der
Spannungsabfall an der Spulen L1 – L4 wird bei 15 gleichgerichtet
und einem Mikrokontroller
Ein
Beispiel für
den Aufbau einer Sensorspule L ist in
Aus
diesen Elementen kann eine induktive Sensoreinheit
Ist
ein Sensor Li nicht vom Betätiger
Durch
den Doppelbetätiger
Der
Mikrokontroller
Im
nächsten
Schritt wird eine Null-Normierung gemäß
In
der Praxis tritt bei der Signalerfassung der Spulen Li ein Rauschen
auf. Die Spulen Li ohne Dämpfung
besitzen keinen ganz konstanten Wert. Dieses Rauschen kann unterdrückt werden,
indem man beispielsweise nur die drei kleinsten Spannungswerte berücksichtigt
und mit dem Maximum dieser drei Spannungen die Null-Normierung gemäß
Eine
andere Möglichkeit
zur Positionserfassung ist ein Interpolieren mit einer quadratischen Funktion
durch drei Punkte, wie es in
Hierzu
wird nach der Null-Normierung der maximale Wert der Parabel gesucht.
Im Beispiel hat das Maximum den Zahlenwert 768 und liegt bei der Indexspule
Anhand
der
Eine
der Sensorspulen Li oder einzelne Bauelemente der Auswerteelektronik
Andererseits
zeigt
Bei
der Ausführungsform
nach
Drei
versetzte Bedämpfungsflächen
Ferner
sind in
In
Für lineare
Bewegungen weist das Betätigungselement
Wenn
zwei Rauten
Alle
konstruktiven Eigenschaften und Merkmale der Erfindung können statt
mit einer Reihe von Sensorspulen Li auch mit einer Reihe von Hall-Sensoren
verwirklicht werden. Das Betätigungselement
Bei
einem bekannten elektronischen Wählhebelmodul
werden derzeit
- LL
- induktiver Sensorinductive sensor
- L'L '
- gegenüberliegender induktiver Sensoropposed inductive sensor
- L1L1
- erster induktiver Sensorfirst inductive sensor
- LiLi
- i.induktiver Sensori.induktiver sensor
- ii
- Spulenindexcoils Index
- aa
- Abstanddistance
- xx
- Wegmarke des Schwerpunktsmilestone of the center of gravity
- 11
- Induktive Sensoreinheitinductive sensor unit
- 33
- Leiterplattecircuit board
- 55
- Mikrokontrollermicrocontroller
- 77
- leitfähiges Betätigungselementconductive actuator
- 9,9',9''9,9 ', 9' '
- rautenförmige Grundflächen, Bedämpfungsflächendiamond-shaped base surfaces, damping surfaces
- 1010
- versetzte Bedämpfungsflächeoffset Bedämpfungsfläche
- 1111
- Sinusoszillatorsinusoidal oscillator
- 1313
- Stromverstärker und Strom-SpannungswandlerCurrent amplifier and Current-voltage converter
- 1515
- HF-GleichrichterRF rectifier
- 1717
- Multiplexermultiplexer
- 1919
- Auswerteelektronikevaluation
- 2121
- Schnittstelleinterface
- 2323
- Drehachseaxis of rotation
Claims (19)
Priority Applications (3)
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Publications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20060209 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20081114 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ZF FRIEDRICHSHAFEN AG, DE Free format text: FORMER OWNER: CHERRY GMBH, 91275 AUERBACH, DE Effective date: 20090727 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20111031 |
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| R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20140501 |