WO2020109384A1 - Drehwinkel-erfassung mit 3-d-sensor und leiterplatten-paralleler drehachse - Google Patents

Drehwinkel-erfassung mit 3-d-sensor und leiterplatten-paralleler drehachse Download PDF

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axis
magnet
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Jürgen GRIES
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Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement, a design method for the sensor arrangement, a selector lever arrangement and a manufacturing method for the selector lever arrangement.
  • Conventional magnetic rotation angle sensor systems use a diametrically magnetized magnet 6, which is mounted on a shaft 10, to detect an actual rotation angle WT in the form of a determined rotation angle WE about an axis of rotation 12.
  • the SMD sensor element in the form of a sensor 18 is placed below the magnet 6 on a circuit board 20 and calculated using the arctangent (atan) function and the planar field components Bx and By (the field of the magnet), which is parallel to the circuit board level 20 run, the (determined) angle of rotation WE of the rotating encoder magnet (magnet 6).
  • the axis of rotation 12 of the magnet 6 is perpendicular to the circuit board level or circuit board 20 or de ren surface 22.
  • the object of the present invention is to provide improvements with respect to a rotation angle detection.
  • the sensor arrangement serves to determine an angle of rotation of a magnet about an axis of rotation.
  • the angle of rotation is that of the magnet about the axis of rotation, rela tive to a base support.
  • the sensor arrangement contains the base support and the magnet.
  • the magnet can be rotated about the axis of rotation relative to the base support.
  • the magnet has a diametrical or radial or arc-shaped or sinusoidal magnetization direction, in particular with respect to the axis of rotation.
  • Magnetic geometry is particularly round or cylindrical, but it can also be used in any be shaped.
  • the magnet is used to generate a magnetic measuring field or the magnet generates the measuring field at least when the sensor arrangement is in operation.
  • the magnet is in particular a permanent magnet.
  • the sensor arrangement contains a sensor.
  • the sensor is in particular a Hall sensor.
  • the sensor is arranged stationary relative to the base carrier.
  • the sensor is used to detect a radial component and a tangential component of the measuring field.
  • the corresponding radial direction and tangential direction are to be understood with respect to the axis of rotation.
  • the tangential component is the component in the direction of rotation.
  • the sensor is used to determine the angle of rotation from the radial component detected by the sensor at the sensor location and the tangential component detected by the sensor at the sensor location.
  • the sensor determines the components from an arc tangent function (atan function).
  • the sensor is mounted at a radial distance from the axis of rotation next to the axis of rotation on a printed circuit board and electrically contacted on this or its conductor tracks etc.
  • the circuit board is part of the sensor arrangement.
  • the circuit board is fixed to the base frame.
  • a surface of the circuit board runs at least on the sensor or at the location of the sensor or in the area of the sensor parallel and tangenti al to the axis of rotation.
  • the magnet has a central plane lying transversely or perpendicular to the axis of rotation, in particular a plane of symmetry.
  • the central level can also run through its focus.
  • the sensor is offset from the central plane of the magnet in the axial direction of the axis of rotation by an axial distance. The axial distance is different from zero.
  • the invention is based on the knowledge that, in the classic rotation angle detection according to FIG. 4, there is a very large area of high signal linearity directly below the magnet. In the case of the arrangement parallel to the axis, however, the linear signal range is very small and cannot be found directly under the magnet. This linear range depends on the magnetic material, the magnet size, shape, type of magnetization and the sensor distance (radial / axial) to the magnet (center). This area must be determined in order to be able to use the arrangement parallel to the axis with a linear sensor output signal.
  • the magnet or sensor are therefore placed opposite one another with an axial offset or have an axial offset. The two components magnet and sensor are therefore not placed or installed symmetrically.
  • the axial distance and the radial distance are therefore selected such that a curve of the angle of rotation determined by the sensor over the actual angle of rotation of the magnet (in the case of linear-linear application) with regard to its linearity to an error measure between the determined angle of rotation (WE) and the actual angle of rotation (WT) is optimized, or that the determined angle of rotation in each case corresponds as closely as possible to the actual angle of rotation.
  • the error measure corresponds to a maximum error of 10 ° in relation to a full rotation of the magnet by 360 °.
  • the error is preferably less than 5 °, preferably less than 3 °, preferably less than 2 °.
  • an error frame for the determined angle of rotation compared to the actual angle of rotation (360 ° with a full revolution of the magnet about the axis of rotation) is defined.
  • Error courses result from the selection of different sensor positions compared to the magnet. Corresponding curves or courses deviate very quickly from the ideal course, even with a certain regularity. The courses show errors of approx. 40 degrees or more compared to the ideal case. Such large errors in an output of the sensor arrangement compared to the actual angle of rotation or such sensor arrangements are generally no longer usable.
  • Additional sources of error are mechanical tolerances such as a tilted position of the magnet. For example, errors of +/- 4 degrees or of +1.65 degrees and - 1.55 degrees are realistically achievable and acceptable.
  • Hall plates themselves are also installed in a sensor, for example with tolerances of 0.3 millimeters. This means that if it is taken into account that sensor positions are shifted iteratively, for example, by 0.5 millimeters, it is increasingly difficult from a practical point of view to arrive at an exact linearity.
  • the courses of the radial component and the tangential component of the measuring field at the location of the sensor are not ideally sinusoidal or cosine-shaped because of the theoretical arrangement geometry alone, but also because of tolerances, inaccuracies, real field distortions etc.
  • a back evaluation using the atan function in the form of the angle of rotation determined by the sensor therefore does not exactly provide the actual angle of rotation of the magnet.
  • a characteristic curve, in which the course of the determined angle of rotation is plotted against the actual angle of rotation therefore does not exactly match the ideal course of the actual angle of rotation and is therefore, in particular, not exactly linear, but in particular S-shaped.
  • the course of the angle of rotation actually determined changes.
  • the axial distance and / or the radial distance are varied in such a way or until a combination of the axial distance and the radial distance is found within the scope of the corresponding variation (that is, within the scope of the possibilities of placement, in particular a limited selection) which minimizes the deviation between the determined angle of rotation and the actual angle of rotation (especially within all tested placements).
  • the corresponding sizes are checked in a radial-axial plane of the axis of rotation in a grid-like manner with a suitable grid spacing and a suitable number of grid points at all grid points, and the optimal grid point (radial spacing / axial spacing) is selected for the placement of the sensor.
  • the person skilled in the art has a large number of selection options both for a corresponding optimization process and for a corresponding measure of the deviation between the determined and actual rotation angle.
  • the person skilled in the art is able to make a suitable selection for a specific sensor arrangement .
  • the measuring field is anchored to the magnet so that it rotates around the axis of rotation.
  • the atan determination from two components is sufficiently known to the person skilled in the art and will not be explained in more detail here.
  • the "Angle of rotation” can be an actual absolute angle value, for example in degrees, or each of the dimensions clearly correlated with the angle of rotation.
  • the circuit board therefore runs "parallel" to the axis of rotation at the location of the sensor.
  • SMD mounting surface mounted device
  • a sensor is selected which can determine corresponding components in parallel in its corresponding mounting position (tangential component) and perpendicular to the printed circuit board (radial component).
  • the circuit board surface is used for mounting the sensor.
  • the sensor is - in technical jargon - "below” the axis of rotation and “offset below” the magnet.
  • the “tangential component” is therefore a planar field component or a parallel field component with respect to the circuit board and the sensor (at the location of the sensor) with respect to the axial direction of the axis of rotation.
  • the “radial component”, on the other hand, is a vertical or vertical field component with respect to the printed circuit board and the sensor and a radial field component with respect to the axial direction.
  • the axis of rotation of the magnet thus runs parallel and spaced from the printed circuit board surface.
  • the axis of rotation can also be understood as a magnetic axis, the magnet as a master magnet.
  • An Anord voltage in which the axis of rotation of the magnet is perpendicular to the circuit board, can not always be implemented inexpensively in practice, especially if a (second axis of rotation) on which a rotary movement is recorded should run parallel to the circuit board. Then, for example via a gearbox, the movement of the second axis of rotation on the first axis of rotation of the magnet would have to be implemented by 90 °, so that the above structural arrangement (FIG. 4, axis of rotation of the magnet perpendicular to the circuit board) is achieved.
  • wired components TFT - through hole technology
  • the senor's sense of direction compared to SMD Components can also be rotated by 90 ° and the axis of rotation of the magnet runs parallel to the circuit board. A mechanical conversion of the rotary movement by 90 ° would then no longer be necessary.
  • THT technology is not desirable due to the more complex production.
  • the present invention therefore describes an arrangement between the magnetic axis (axis of rotation) and the printed circuit board, which enables a rotation angle detection of the encoder magnet even with the axis of the magnet (the axis of rotation) parallel to the printed circuit board.
  • a diametrically magnetized magnet e.g. Ring magnet, used and an SMD sensor element, but instead of the planar field components ("Bx, By", based on the circuit board or its surface or its level), a vertical field component ("Bz”) and a planar field component (Bx / By) and can therefore be evaluated using the atan function.
  • the (SMD) sensor should not be placed exactly in the center below the magnet 89 (on the central plane), but rather somewhat offset from the axial plane of symmetry (or central plane) of the magnet.
  • This constructive offset enables a linear characteristic (of the measured angle of rotation) over the (actual) angle of rotation (of the magnet) to be achieved.
  • the best possible control of the sensor is also ensured with regard to the induction range of the sensor.
  • the choice of the structural offset is then also determined by the lower or upper induction working range of the sensor (senso elements).
  • a sensor location mounting location of the sensor
  • a sensor location can be found which forms the best possible linearity of the determined angle of rotation (signal linearity) or the best possible compromise between signal linearity and sensor control.
  • the course is optimized in such a way that a compromise between the linearity of the course and a control of the sensor is optimized.
  • the signal linearity optimized not only is the signal linearity optimized, but also the induction working range of the sensor is taken into account or the corresponding compromise is optimized.
  • the amplitude of the measuring field at the location of the sensor for the respective actual angle of rotation is also taken into account.
  • the "modulation" is understood with regard to the induction range of the sensor. The modulation is thus limited by the lower and upper induction working range, e.g. 20-100 mT. In particular, 50-60mT are chosen for the modulation in the compromise. According to the invention, the best possible compromise between sensor control and signal linearity (as explained above, within the scope of the possibilities considered) can be found.
  • the course of the determined rotation angle and - if available i.e. for the above Embodiment with a compromise between linearity and modulation - the modulation, optimized on the basis of an FEM analysis of the measuring field.
  • the FEM analysis takes place at least at the location of the sensor. The corresponding optimization can then be carried out theoretically or on a computer, tests or measurements are not necessary for this.
  • the optimization is or is carried out in such a way that, based on a rasterized FEM analysis of predeterminable axial distances and radial distances, such a pair is or is selected that has a comparatively optimal linearity of the course (or optimal results also in the With regard to other embodiments, for example the above-mentioned compromise).
  • a corresponding procedure has already been explained above, for example, using a corresponding "grid”.
  • the grid spacings are in particular at least 0.1 mm or at least 0.2 mm or at least 0.3 mm or at least 0.4 mm or at least 0.5 mm or at least 1 mm.
  • the grid spacing is in particular at most 1, 5 mm or at most 1 mm or at most 0.75 mm or at most 0.5 mm or at most 0.3 mm or at most 0.1 mm.
  • the signal error compared to neighboring positions can be minimized to such an extent that the raw (unlinearized) sensor signal has an error of almost zero.
  • the error for the optimized position is less than 4 ° compared to the ideal sensor line. With an even finer step size, an almost ideal signal (error almost zero) can be achieved.
  • “Specifiable” here means in particular a technically practical, as small as possible, but sufficient number of grid points to be examined, which, however, are placed sufficiently densely or in technically sensible gradations in a correspondingly sensible radial-axial area .
  • the magnet is connected in a rotationally fixed, in particular fixed, manner to a shaft running along the axis of rotation.
  • the magnet can therefore be rotated together with the shaft about the axis of rotation.
  • the shaft can then be used to record a rotation signal to be detected, which is then implemented directly on the magnet and thus on the determined rotation angle.
  • the senor is an SMD sensor which is mounted and electrically contacted on a surface of the printed circuit board.
  • the senor is a 3D sensor.
  • This can be a "real" 3D sensor that can actually evaluate three field components that are perpendicular to each other.
  • the sensor can also be one that can actually only output two detected field components, but the respective detection direction can be programmed in the sensor.
  • the radial component, in particular the field Component of the measuring field perpendicular to the circuit board level can also be detected when an SMD sensor is used.
  • the magnetic material and / or the magnet volume is also varied or selected such that the course of the determined angle of rotation (etc. .) is optimized.
  • additional, variable parameters are available in order to achieve further improved results.
  • the sensor arrangement contains an adjustable compensation arrangement. This serves to compensate for a residual error of the mean angle of rotation compared to the actual angle of rotation. There is usually a residual error even after the optimization, because even with the best possible optimization, an exact match between the determined and the actual angle of rotation is generally not possible. The corresponding residual error can then be at least further or completely compensated for by the compensation arrangement.
  • the compensation arrangement can contain, for example, scaling of measured variables or addition of correction values. A wide range of options is available to the expert.
  • the object of the invention is also achieved by a design method according to claim 11 for the sensor arrangement according to the invention, in which the axial distance and the radial distance have been selected such that a course of the determined angle of rotation over the actual angle of rotation with regard to its linearity is based on an error between the determined angle of rotation and the actual angle of rotation is optimized.
  • an initial axial distance and radial distance (and optionally starting values for further parameters according to the above-mentioned embodiments) are selected.
  • a course of the determined angle of rotation is then determined.
  • the axial distance is then determined according to an iteration process and / or the radial distance (and / or the further parameters) varies in order to optimize the course as explained above.
  • the design method using an FEM analysis finite element method for electromagnetic fields of the measuring field for the respective current axial distance and radial distance (or in other embodiments for changed parameters, such as material selection, magnetic volume, etc. .) carried out.
  • FEM analysis finite element method for electromagnetic fields
  • This variant of the method has also been explained above in a meaningful manner.
  • the object of the invention is also achieved by a selector lever arrangement according to claim 13 for a vehicle, with a selector lever movable between at least two positions for the selection of a vehicle function and with a sensor arrangement according to the invention, the selector lever being motion-coupled to the magnet, and the positions based on of the determined angle of rotation are separable. Based on the determined angle of rotation, the position or its change can be concluded.
  • the advantages of the sensor arrangement and the design method, which have already been explained above, are therefore also incorporated into corresponding selector lever arrangements.
  • a sensor arrangement is therefore already available within the selector lever arrangement, which has a characteristic curve optimized with regard to its linearity with respect to the determined and actual rotation angle.
  • the selector lever arrangement is in particular one for selecting a driving and / or gear stage in a vehicle.
  • the vehicle is in particular a special automobile, in particular with a semi / automatic transmission with various drive and / or gear stages selectable by the selector lever.
  • the compensation arrangement in a preferred embodiment in connection with a sensor arrangement with a compensation arrangement, is or is set within the scope of an end-of-line setting with regard to the selector lever arrangement during its manufacture. Based on the already optimized sensor arrangement, the compensation arrangement only has to take over the above-mentioned residual compensation within the selector lever arrangement and can thus be set in a particularly simple and uncomplicated manner.
  • the object of the invention is also achieved by a manufacturing method according to claim 15 for an inventive selector lever arrangement with compensation arrangement.
  • the sensor arrangement is optimized in the method.
  • the sensor arrangement is then installed with or in the selector lever arrangement.
  • the compensation arrangement is set as part of the end-of-line setting.
  • FIG. 1 shows a selector lever arrangement according to the invention with a sensor arrangement in
  • FIG. 2 shows the sensor arrangement from FIG. 1 in a frontal view
  • FIG. 3 shows a diagram with a determined angle of rotation, plotted against an actual angle of rotation
  • FIG. 4 shows a rotation angle sensor system according to the prior art
  • FIG. 5 shows a diagram of the determined angle of rotation, plotted against an actual angle of rotation for different sensor positions
  • FIG. 6 shows the sensor positions for the determinations according to FIG. 5.
  • Figure 1 shows a selector lever arrangement 2 for a vehicle, not shown, here an automobile, with a selector lever 4.
  • the selector lever 4 is movable between two positions P1, 2, as indicated by arrows.
  • a gear stage forward, reverse, parking, gear selection
  • the current position of the selector lever 4 is to be detected in order to be able to control the transmission accordingly.
  • the selector lever 4 is coupled in motion with a magnet 6.
  • the movement coupling takes place in that the magnet 6 is rotatably mounted on a shaft 10, the selector lever 4 in turn being coupled to the shaft 10 in a manner not explained in more detail.
  • Magnet 6 and shaft 10 are depending on the position P1, 2 rotatable about an axis of rotation 12 or rotated in a certain angle of rotation WT. In order to detect the positions P 1, 2, the actual angle of rotation WT of the shaft 10 and thus of the magnet 6 should be determined.
  • the mag net 6 is part of a sensor arrangement 8.
  • FIG. 2 again shows the sensor arrangement 8 from FIG. 1 in the direction of the arrow II from FIG. 1; 1 shows the viewing direction I from FIG. 2.
  • the sensor arrangement 8 is used to determine a (determined) rotation angle WE, which would correspond to the actual rotation angle WT in an ideal sensor arrangement.
  • the sensor arrangement 8 has a base support 14. Magnet 6 and shaft 10 are rotatable about the axis of rotation 12 relative to the base support 14. The magnet 6 is magnetized diametrically to the axis of rotation 12 (indicated by north pole N and south pole S). The magnet 6 is here a permanent magnet and generates a magnetic measuring field 16 which is coupled to the magnet 6 in a rotationally fixed manner and is illustrated in the figures only by a few field lines.
  • the sensor arrangement 8 also contains a sensor 18, here a 3D Hall sensor, which is mounted in a stationary manner with respect to the base support 14. The sensor 18 is set up to detect a radial component KR and a tangential component KT of the measuring field 16.
  • the corresponding radial direction and tangential direction relate to the axis of rotation 12.
  • the sensor 18 is set up to determine the angle of rotation WE from the detected radial component KR and the detected tangential component KT using an arc tangent (atan) function.
  • the sensor 18 is placed at a radial distance AR from the axis of rotation 12. For this purpose, it is mounted on a printed circuit board 20 in addition to, that is to say at a distance from, the axis of rotation 12 and is electrically contacted. A surface 22 of the circuit board 20 is aligned parallel and tan potential to the axis of rotation 12.
  • the sensor 18 is an SMD component.
  • the sensor 18 is also opposite a transverse to the axis of rotation 12 central plane 24, here plane of symmetry, of the magnet 6 is arranged by an axial distance AA ver.
  • FIG. 3 shows a profile 26 of the determined angle of rotation WE (in degrees), plotted against the actual angle of rotation WT (in degrees).
  • the axial distance AA and the radial distance AR are selected so that the course 26 of the mean rotation angle WE over the actual rotation angle WT is optimized with regard to its linearity.
  • a quadratic error measure of a respective error F i.e. a deviation (indicated by a line) of the angle of rotation WE perpendicular to the course of the angle of rotation WT for realistic possible axial distances AA and radial distances AR minimized.
  • the optimization in question also takes into account the respective modulation of the sensor 18 by the measuring field 16 with possible axial distances AA and radial distances AR and magnetic parameters.
  • AA axial distance
  • AR radial distance
  • magnetic parameters corresponding parameters
  • the sensor arrangement 8 also includes an adjustable compensation arrangement 28 in order to completely compensate for the residual error FR between the angle of rotation WE and the actual angle of rotation WT.
  • an adjustable compensation arrangement 28 in order to completely compensate for the residual error FR between the angle of rotation WE and the actual angle of rotation WT.
  • the course of the rotation angle WE is therefore further optimized and mapped to respective values of a corrected rotation angle WK.
  • the course of the angle of rotation WK over the angle of rotation WT is also shown in FIG. 3 and is identical to it and is therefore ideal.
  • initial values for the distances AA, AR and the magnetic parameters are selected first and these are varied with the above-mentioned iteration process with the aid of a respective FEM analysis of a respective selection, which corresponds to the dashed curves in FIG. 3 with un leads to different error measures.
  • the solid curve 26 results with residual error FR.
  • the compensation arrangement 28 is set only after optimization of the sensor arrangement 8 and its installation in the selector lever arrangement 2 as part of an EOL setting in the manufacture or manufacture of the selector lever arrangement 2.
  • FIG. 5 shows, in dashed lines, alternative courses 26 of the determined rotation angle WE (in degrees, sensor signal), plotted against the actual (mechanical) rotation angle WT (extended, in degrees).
  • the axial arrangement in the sensor arrangement 8 levels AA and radial distances AR (variation indicated by arrows) varies.
  • the curves shown in FIG. 5 correspond to some of the sensor positions indicated by dots. If the position of the sensor 18 below the magnet 6 is selected correctly (course 26 with minimal deviation), the signal error compared to adjacent positions (other courses 26) can be minimized so much that the raw (unlinearized) sensor signal has an error F to almost zero.
  • the sensor positions are 0.5 mm apart and the error F for the optimized position 30 is ⁇ 4 ° compared to the ideal sensor line (WT).
  • WT ideal sensor line

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Abstract

Bei einer Sensoranordnung (8) zur Ermittlung eines Drehwinkels (WE) eines Magneten (6) um eine Drehachse (12), mit einem Sensor (18) zur Erfassung einer Radialkomponente (KR) und einer Tangentialkomponente (KT) des Messfeldes (16) des Magneten (6) und zur Ermittlung des Drehwinkels (WE) anhand einer atan-Funktion, ist der Sensor (18) mit Radialabstand (AR) zur Drehachse (12) auf einer zur Drehachse (12) parallelen Leiterplatte (20) montiert und gegenüber dem Magneten (6) um einen Axialabstand (AA) versetzt. Bei einem Entwurfsverfahren für die Sensoranordnung (8) wird ein anfänglicher Axialabstand (AA) und Radialabstand (RA) gewählt, der Verlauf (26) ermittelt, und Axialabstand (AA) und/oder der Radialabstand (RA) iterativ optimiert. In einer Wählhebelanordnung (2) für ein Fahrzeug, ist ein Wählhebel (4) mit dem Magneten (6) der Sensoranordnung (8) bewegungsgekoppelt. Bei einem Fertigungsverfahren für die Wählhebelanordnung (2) wird die Sensoranordnung (8) optimiert, mit der Wählhebelanordnung (2) verbaut, und eine Kompensationsanordnung (28) im Rahmen einer End-of-Line-Einstellung eingestellt.

Description

Drehwinkel-Erfassunq mit 3-D-Sensor und Leiterplatten-paralleler Drehachse
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, ein Entwurfsverfahren für die Senso ranordnung, eine Wählhebelanordnung und ein Fertigungsverfahren für die Wählhe belanordnung.
Herkömmliche magnetische Drehwinkel-Sensorsysteme, wie sie exemplarisch in Fi gur 4 dargestellt sind, benutzen zur Detektierung eines tatsächlichen Drehwinkel WT in Form eines ermittelten Drehwinkels WE um eine Drehachse 12 einen diametral magnetisierten Magneten 6, der auf einer Welle 10 montiert ist. Das SMD- Sensorelement in Form eines Sensors 18 wird unterhalb des Magneten 6 auf einer Leiterplatte 20 platziert und berechnet mit Hilfe der Arcustangens-(atan-)Funktion und der planaren Feldkomponenten Bx und By (des Feldes des Magneten), die pa rallel zur Leiterplattenebene 20 verlaufen, den (ermittelten) Drehwinkel WE des rotie renden Gebermagneten (Magnet 6). Bei dieser Anordnung steht die Drehachse 12 des Magneten 6 senkrecht auf der Leiterplattenebene bzw. Leiterplatte 20 bzw. de ren Oberfläche 22.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen hinsichtlich einer Dreh winkel-Erfassung anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch 1. Be vorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfin dungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Be schreibung sowie den beigefügten Figuren.
Die Sensoranordnung dient zur Ermittlung eines Drehwinkels eines Magneten um eine Drehachse. Der Drehwinkel ist derjenige des Magneten um die Drehachse, rela tiv zu einem Grundträger. Die Sensoranordnung enthält den Grundträger und den Magneten. Der Magnet ist relativ zum Grundträger um die Drehachse drehbar. Der Magnet weist insbesondere bezüglich der Drehachse eine diametrale oder radiale oder bogenförmige oder sinusförmige Magnetisierungsrichtung auf. Die Magnetgeo metrie ist insbesondere rund bzw. zylinderförmig, sie kann aber auch in jeder weite- ren Form gestaltet sein. Der Magnet dient zur Erzeugung eines magnetischen Mess feldes bzw. erzeugt der Magnet zumindest im Betrieb der Sensoranordnung das Messfeld. Der Magnet ist insbesondere ein Dauermagnet.
Die Sensoranordnung enthält einen Sensor. Der Sensor ist insbesondere ein Hall- Sensor. Der Sensor ist relativ zum Grundträger ortsfest angeordnet. Der Sensor dient zur Erfassung einer Radialkomponente und einer Tangentialkomponente des Mess feldes. Die entsprechende Radialrichtung und Tangentialrichtung sind bezüglich der Drehachse zu verstehen. Die Tangentialkomponente ist die Komponente in Drehrich tung. Der Sensor dient zur Ermittlung des Drehwinkels aus der am Ort des Sensors vom Sensor erfassten Radialkomponente und der am Ort des Sensors vom Sensor erfassten Tangentialkomponente. Die Ermittlung durch den Sensor aus den Kompo nenten erfolgt anhand einer Arcustangens-Funktion (atan-Funktion).
Der Sensor ist mit einem Radialabstand zur Drehachse neben der Drehachse auf einer Leiterplatte montiert und elektrisch an dieser bzw. deren Leiterbahnen usw. kontaktiert. Die Leiterplatte ist Teil der Sensoranordnung. Die Leiterplatte ist ortsfest zum Grundträger montiert. Eine Oberfläche der Leiterplatte verläuft zumindest am Sensor bzw. am Ort des Sensors bzw. im Bereich des Sensors parallel und tangenti al zur Drehachse. Der Magnet weist eine quer bzw. senkrecht zur Drehachse liegen de Zentralebene, insbesondere eine Symmetrieebene auf. Die Zentralebene kann auch durch dessen Schwerpunkt verlaufen. Der Sensor ist gegenüber der Zentral ebene des Magneten in Axialrichtung der Drehachse um einen Axialabstand versetzt angeordnet. Der Axialabstand ist von Null verschieden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zwar bei der klassischen Drehwinkelerfassung nach Fig. 4 ein sehr großer Bereich hoher Signallinearität direkt unterhalb des Magneten besteht. Bei der achsparallelen Anordnung ist der lineare Signalbereich aber sehr klein und nicht di rekt unter dem Magneten zu finden. Dieser lineare Bereich ist abhängig vom Mag netmaterial von der Magnetgröße, -form, Art der Magnetisierung und des Sensorab standes (radial/ axial) zum Magnet(-zentrum). Diesen Bereich gilt es zu ermitteln, um die achsparallele Anordnung mit linearem Sensorausgangssignal nutzen zu können. Magnet bzw. Sensor werden also einander gegenüber mit einem axialen Versatz platziert bzw. weisen einen axialen Versatz auf. Die beiden Komponenten Magnet und Sensor werden also nicht symmetrisch platziert bzw. eingebaut.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind daher der Axialabstand und der Radial abstand so gewählt, dass ein Verlauf des vom Sensor ermittelten Drehwinkels über dem tatsächlichen Drehwinkel des Magneten (bei linear-linearem Auftrag) hinsichtlich seiner Linearität auf ein Fehlermaß zwischen dem ermittelten Drehwinkel (WE) und dem tatsächlichen Drehwinkel (WT) optimiert ist, bzw. dass der ermittelte Drehwinkel jeweils möglichst genau dem tatsächlichen Drehwinkel entspricht. Dabei entspricht das Fehlermaß einem maximalen Fehler von 10° in Bezug auf eine volle Umdrehung des Magneten um 360°. Bevorzugt ist der Fehler kleiner 5°, bevorzugt kleiner 3°, be vorzugt kleiner 2°.
Gemäß dieser Ausführungsform wird also ein Fehlerrahmen für den ermittelten Drehwinkel gegenüber dem tatsächlichen Drehwinkel (360° bei einer vollen Umdre hung des Magneten um die Drehachse) definiert. Fehlerverläufe ergeben sich durch die Auswahl verschiedener Sensorpositionen gegenüber dem Magneten. Entspre chende Kurven bzw. Verläufe weichen sehr schnell vom idealen Verlauf ab, auch mit einer gewissen Regelmäßigkeit. Die Verläufe zeigen zum Teil Fehler von ca. 40 Grad oder mehr gegenüber dem idealen Fall. Derart große Fehler in einem Output der Sensoranordnung gegenüber dem tatsächlichen Drehwinkel bzw. derartige Senso ranordnungen sind in der Regel nicht mehr sinnvoll nutzbar.
Zusätzliche Fehlerquellen sind ohnehin auch mechanische Toleranzen wie bspw. eine Kippstellung des Magneten. Realistisch erreichbar und akzeptabel sind z.B. Fehler von +/- 4 Grad oder von + 1 ,65 Grad und - 1 ,55 Grad. Auch Hallplatten selbst in einem Sensor werden z.B. mit 0,3 Millimeter Toleranzen eingebaut. Das heißt, wenn berücksichtigt wird, dass Sensorpositionen z.B. jeweils iterativ um 0,5 Millime ter verschoben werden, ist es aus praktischer Sicht zunehmend schwierig, auf eine genaue Linearität zu kommen. Die Verläufe der Radialkomponente und der Tangentialkomponente des Messfeldes am Ort des Sensors sind schon alleine aufgrund der theoretischen Anordnungsgeo metrie, aber auch aufgrund von Toleranzen, Ungenauigkeiten, realen Feldverzerrun gen etc. nicht ideal Sinus- bzw. Cosinusförmig. Eine Rückauswertung mithilfe der atan-Funktion in Form des vom Sensor ermittelten Drehwinkels liefert daher nicht exakt den tatsächlichen Drehwinkel des Magneten. Eine Kennlinie, in der der Verlauf des ermittelten Drehwinkels über dem tatsächlichen Drehwinkel aufgetragen ist, stimmt daher nicht exakt mit dem idealen Verlauf des tatsächlichen Drehwinkels überein und ist insbesondere daher nicht exakt linear, sondern insbesondere S- förmig ausgebaucht.
Durch Variation von Parametern der Anordnung, zumindest von Axialabstand und/oder Radialabstand, verändert sich der Verlauf des tatsächlich ermittelten Dreh winkels. Gemäß der Erfindung werden Axialabstand und/oder Radialabstand derart bzw. so lange variiert, bis im Rahmen der entsprechenden Variation (also im Rah men der in Erwägung gezogenen Möglichkeiten von Platzierungen, insbesondere einer begrenzten Auswahl) eine Kombination aus Axialabstand und Radialabstand gefunden ist, bei der die Abweichung zwischen ermittelten Drehwinkels und tatsäch lichem Drehwinkel (insbesondere innerhalb aller getesteten Platzierungen) minimiert ist. Insbesondere werden hierbei in einer Radial-Axial-Ebene der Drehachse gitter förmig mit geeignetem Gitterabstand und einer geeigneten Anzahl von Gitterpunkten an allen Gitterpunkten die entsprechenden Größen überprüft und der optimale Git terpunkt (Radialabstand/Axialabstand) für die Platzierung des Sensors ausgewählt. Sowohl für einen entsprechenden Optimierungsvorgang als auch für ein entspre chendes zu optimierendes Maß der Abweichung zwischen ermitteltem und tatsächli chem Drehwinkel verfügt der Fachmann über eine Vielzahl von Auswahlmöglichkei ten. Der Fachmann ist hierbei in der Lage, eine geeignete Auswahl für eine konkret vorliegende Sensoranordnung zu treffen.
Das Messfeld ist drehfest mit dem Magneten verankert, dreht sich also zusammen mit diesem um die Drehachse. Die atan-Ermittlung aus zwei Komponenten ist dem Fachmann hinreichend bekannt und soll hier nicht näher erläutert werden. Der "Drehwinkel" kann ein tatsächlicher absoluter Winkelwert, z.B. in Grad, sein oder je des eindeutig mit dem Drehwinkel korrelierte Maß.
Die Leiterplatte verläuft also am Ort des Sensors "parallel" zur Drehachse. Dies er möglicht insbesondere eine SMD-Montage (surface mounted device) eines SMD- Sensors für Komponentenerfassung nur in der entsprechenden Ebene bzw. auf der Oberfläche der Leiterplatte. Gemäß der Erfindung ist ein Sensor gewählt, der in sei ner entsprechenden Montageposition entsprechende Komponenten parallel (Tangen tialkomponente) und senkrecht zur Leiterplatte (Radialkomponente) ermitteln kann. Die Leiterplatten-Oberfläche dient für die Montage des Sensors. Der Sensor ist also - im Fachjargon ausgedrückt - "unterhalb" der Drehachse und "versetzt unterhalb" des Magneten angeordnet.
Die "Tangentialkomponente" ist also bezüglich der Leiterplatte und des Sensors (am Ort des Sensors) eine planare Feldkomponente bzw. eine parallele Feldkomponente bezogen auf die Axialrichtung der Drehachse. Die "Radialkomponente" ist dagegen eine vertikale bzw. senkrechte Feldkomponente bezüglich der Leiterplatte und des Sensors und eine radiale Feldkomponente bezüglich der Axialrichtung.
Die Drehachse des Magneten verläuft also parallel und beabstandet zur Leiterplat tenoberfläche. Die Drehachse kann auch als Magnetachse verstanden werden, der Magnet als Gebermagnet.
Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen und Erkenntnissen: Eine Anord nung, bei der die Drehachse des Magneten senkrecht zur Leiterplatte verläuft, kann in der Praxis nicht immer kostengünstig umgesetzt werden, insbesondere wenn eine (zweite Dreh-)Achse, an der eine Drehbewegung aufgenommen werden soll parallel zur Leiterplatte verlaufen soll. Dann müsste z.B. über ein Getriebe die Bewegung der zweiten Drehachse auf die erste Drehachse des Magneten um 90° umgesetzt wer den, sodass obige konstruktive Anordnung (Fig. 4, Drehachse des Magneten senk recht zur Leiterplatte) erreicht wird. Alternativ könnten auch bedrahtete Bauelemente (THT - through hole technology) für den Sensor anstelle eines SMD-Sensors ver wendet werden. So könnte die Sensierungsrichtung des Sensors gegenüber SMD- Bauelementen auch um 90° gedreht werden und die Drehachse des Magneten paral lel zur Leiterplatte verlaufen. Eine mechanische Umsetzung der Drehbewegung um 90° wäre dann nicht mehr notwendig. Die THT- Technologie ist jedoch aufgrund der aufwändigeren Fertigung nicht erwünscht.
Die vorliegende Erfindung beschreibt daher eine Anordnung zwischen Magnetachse (Drehachse) und Leiterplatte, die eine Drehwinkelerkennung des Gebermagneten auch mit paralleler Achsausrichtung des Magneten (der Drehachse) zur Leiterplatte ermöglicht. Hierzu wird wieder ein diametral magnetisierter Magnet, z.B. Ring- Magnet, verwendet und ein SMD-Sensorelement, das aber anstatt der planaren Feldkomponenten ("Bx, By", bezogen auf die Leiterplatte bzw. deren Oberfläche bzw. deren Ebene) eine vertikale Feldkomponente ("Bz") und eine planare Feldkomponen te (Bx /By) erfassen und daher über die atan-Funktion auswerten kann.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung der (SMD-)Sensor nicht genau mittig unterhalb des Magneten 89 (an der Zentralebene) zu platzieren, sondern etwas versetzt zur axialen Symmetrieebene (bzw. Zentralebene) des Magneten. Durch diesen konstruk tiven Versatz wird eine möglichst lineare Kennlinie (des gemessenen Drehwinkels) über dem (tatsächlichen) Drehwinkel (des Magneten) erreicht. Optional wird zusätz lich eine bestmögliche Aussteuerung des Sensors im Hinblick auf den Induktionsbe reich des Sensors sichergestellt. Die Wahl des konstruktiven Versatzes wird dann auch durch den unteren bzw. oberen Induktionsarbeitsbereich des Sensors (Senso relements) bestimmt. Gemäß der Erfindung ist - insbesondere über Feldberechnun gen - eine Sensorstelle (Montageort des Sensors) zu finden, die die bestmögliche Linearität des ermittelten Drehwinkels (Signallinearität) oder den bestmöglichen Kompromiss zwischen Signallinearität und Sensoraussteuerung bildet.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es möglich, ein nahezu linea res (ermitteltes) Drehwinkelsignal (Verlauf des ermittelten Drehwinkels) zu erhalten. Der verbleibende Restfehler kann insbesondere über eine Linearisierung der Kennli nie am Bandende (EOL, end of line) einer Fertigung erfolgen, in der das Sensorsys tem enthalten ist bzw. verwendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verlauf dahingehend optimiert, dass ein Kompromiss zwischen der Linearität des Verlaufs und einer Aus steuerung des Sensors optimiert ist. Wie oben bereits erwähnt, ist dann nicht nur die Signallinearität optimiert, sondern auch der Induktionsarbeitsbereich des Sensors berücksichtigt bzw. der entsprechende Kompromiss optimiert.
Berücksichtigt ist dabei also auch die Amplitude des Messfeldes am Ort des Sensors für den jeweiligen tatsächlichen Drehwinkel. Die "Aussteuerung" versteht sich im Hinblick auf den Induktionsbereich des Sensors. Die Aussteuerung ist damit begrenzt durch unteren und oberen Induktionsarbeitsbereich, z.B. 20-100 mT. Insbesondere werden für die Aussteuerung im Kompromiss 50-60mT gewählt. Zu finden ist gemäß der Erfindung also der (wie oben erläutert, im Rahmen der in Erwägung gezogenen Möglichkeiten) bestmögliche Kompromiss zwischen Sensoraussteuerung und Signal linearität.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist (in der fertigen Sensoranordnung) bzw. wird (bei einem Entwurf der Sensoranordnung) der Verlauf des ermittelten Drehwin kels und - falls vorhanden, d.h. für die o.g. Ausführungsform mit Kompromiss zwi schen Linearität und Aussteuerung - der Aussteuerung, anhand einer FEM-Analyse des Messfeldes optimiert. Die FEM-Analyse findet dabei zumindest am Ort des Sen sors statt. Die entsprechende Optimierung kann dann theoretisch bzw. an einem Rechner durchgeführt werden, Versuche bzw. Messungen sind hierfür nicht notwen dig.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist bzw. wird die Optimierung derart durchgeführt, dass anhand einer gerasterten FEM-Analyse vorgebbarer Axial abstände und Radialabstände ein solches Paar gewählt ist bzw. wird, das eine ver gleichsweise optimale Linearität des Verlaufs (oder optimale Ergebnisse auch im Hinblick auf andere Ausführungsformen, z.B. den o.g. Kompromiss) aufweist. Eine entsprechende Vorgehensweise wurde oben z.B. bereits anhand eines entsprechen den "Gitters" erläutert. Die Rasterabstände betragen dabei insbesondere mindestens 0,1 mm oder mindestens 0,2mm oder mindestens 0,3mm oder mindestens 0,4mm oder mindestens 0,5mm oder mindestens 1 mm. Die Rasterabstände betragen insbe- sondere höchstens 1 ,5mm oder höchstens 1 mm oder höchstens 0,75mm oder höchstens 0,5mm oder höchstens 0,3mm oder höchstens 0,1 mm.
Wenn die Position des Sensors unterhalb des Magneten richtig gewählt wird, kann der Signalfehler gegenüber benachbarten Positionen so stark minimiert werden, dass das rohe (unlinearisierte) Sensorsignal einen Fehler bis nahezu Null aufweist. Sind z.B. die Sensorpositionen 0,5mm voneinander entfernt, liegt der Fehler für die opti mierte Position bei kleiner 4° gegenüber der idealen Sensorgerade. Bei noch feinerer Schrittweite ist ein nahezu ideales Signal (Fehler fast Null) erreichbar.
Unter "vorgebbar" sind hierbei insbesondere eine technisch praxisgerechte, mög lichst kleine, aber hinreichende Anzahl von zu untersuchenden Gitterpunkten zu ver stehen, die jedoch ausreichend dicht bzw. in technisch sinnvoll abgestuften Abstän den in einem entsprechend sinnvoll erscheinenden Radial-Axial-Bereich platziert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet drehfest, insbesondere fest, mit einer entlang der Drehachse verlaufenden Welle verbunden. Der Magnet ist also gemeinsam mit der Welle um die Drehachse drehbar. Die Welle kann dann zur Auf nahme eines zu erfassenden Drehsignals dienen, welches dann direkt auf den Mag neten und damit auf den ermittelten Drehwinkel umgesetzt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein auf einer Oberfläche der Leiterplatte montierter und elektrisch kontaktierter SMD-Sensor. Die entsprechenden Vorteile wurden bereits oben erläutert. Insbesondere können so die bekannten Vor teile der SMD-Technologie für die vorliegende Erfindung genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein 3D-Sensor. Hierbei kann es sich um einen "echten" 3D-Sensor handeln, der tatsächlich drei zueinander senk recht stehende Feldkomponenten auswerten kann. Der Sensor kann jedoch auch ein solcher sein, welcher zwar effektiv nur zwei erfasste Feldkomponenten ausgeben kann, die jeweilige Erfassungsrichtung im Sensor jedoch programmierbar ist. Durch entsprechende Sensoren kann insbesondere die Radialkomponente, also die Feld- komponente des Messfeldes senkrecht zur Leiterplattenebene auch dann erfasst werden, wenn ein SMD-Sensor verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Rahmen der Optimierung des Verlaufs des ermittelten Drehwinkels - und falls vorhanden weiterer Optimierungen - neben dem Axialabstand und dem Radialabstand auch das Magnetmaterial und/oder das Magnetvolumen variiert bzw. so gewählt, dass der Verlauf des ermittelten Drehwin kels (usw.) optimiert ist. Somit stehen zusätzliche variierbare Parameter zur Verfü gung, um zu weiter verbesserten Ergebnissen zu gelangen. Die obigen Ausführun gen zur Optimierung von Axial- und Radialabstand werden dann sinngemäß auf wei tere Parameter ausgedehnt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Sensoranordnung eine einstellbare Kompensationsanordnung. Diese dient zur Kompensation eines Restfehlers des er mittelten Drehwinkels gegenüber dem tatsächlichen Drehwinkel. Ein Restfehler be steht in der Regel auch nach der Optimierung, denn auch durch bestmögliche Opti mierung ist in der Regel eine exakte Übereinstimmung von ermitteltem und tatsächli chem Drehwinkel nicht möglich. Der entsprechende Restfehler ist dann durch die Kompensationsanordnung zumindest weiter oder auch vollständig ausgleichbar. Die Kompensationsanordnung kann zum Beispiel eine Skalierung von Messgrößen oder Addition von Korrekturwerten enthalten. Dem Fachmann steht hier eine mannigfaltige Auswahl zur Verfügung.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Entwurfsverfahren gemäß Pa tentanspruch 11 für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der der Axialab stand und der Radialabstand so gewählt sind, dass ein Verlauf des ermittelten Dreh winkels über dem tatsächlichen Drehwinkel hinsichtlich seiner Linearität auf ein Feh lermaß zwischen dem ermittelten Drehwinkel und dem tatsächlichen Drehwinkel op timiert ist. Bei dem Verfahren wird ein anfänglicher Axialabstand und Radialabstand (und optional Startwerte für weitere Parameter gemäß der oben genannten Ausfüh rungsformen) gewählt. Anschließend wird ein Verlauf des ermittelten Drehwinkels bestimmt. Anschließend wird gemäß einem Iterationsverfahren der Axialabstand und/oder der Radialabstand (und/oder die weiteren Parameter) variiert, um den Ver lauf wie oben erläutert zu optimieren.
Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweili gen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemä ßen Sensoranordnung erläutert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Entwurfsverfahren mit Hilfe einer FEM-Analyse (Finite-Elemente-Methode für elektromagnetische Felder) des Mess feldes für den jeweiligen aktuellen Axialabstand und Radialabstand (oder in anderen Ausführungsformen für jeweils veränderte Parameter, z.B. Materialwahl, Magnetvo lumen, etc.) durchgeführt. Auch diese Verfahrensvariante wurde oben bereits sinn gemäß erläutert.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Wählhebelanordnung gemäß Patentanspruch 13 für ein Fahrzeug, mit einem zur Auswahl einer Fahrzeugfunktion zwischen mindestens zwei Positionen bewegbare Wählhebel und mit einer erfin dungsgemäßen Sensoranordnung, wobei der Wählhebel mit dem Magneten bewe gungsgekoppelt ist, und die Positionen anhand des ermittelten Drehwinkels unter scheidbar sind. Anhand des ermittelten Drehwinkels kann so auf die Position bzw. deren Veränderung geschlossen werden.
Die bereits oben sinngemäß erläuterten Vorteile der Sensoranordnung bzw. des Entwurfsverfahrens finden somit auch in entsprechende Wählhebelanordnungen Eingang. Insbesondere steht damit innerhalb der Wählhebelanordnung bereits eine Sensoranordnung zur Verfügung, welche eine hinsichtlich ihrer Linearität optimierte Kennlinie bezüglich ermitteltem und tatsächlichem Drehwinkel aufweist. Für eine wei tere Optimierung der Wählhebelanordnung bzw. der verbauten Sensoranordnung muss dann nur noch die entsprechend der Sensoranordnung nachgeschaltete Rest struktur optimiert werden. Die Wählhebelanordnung ist insbesondere eine solche zur Wahl einer Fahr- und/oder Getriebestufe in einem Fahrzeug. Das Fahrzeug ist insbe sondere ein Automobil, insbesondere mit Halb-/Automatikgetriebe mit verschiedenen durch den Wählhebel wählbaren Fahr- und/oder Getriebestufen. In einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit einer Sensoranord- nung mit Kompensationsanordnung ist bzw. wird die Kompensationsanordnung im Rahmen einer End-of-Line-Einstellung hinsichtlich der Wählhebelanordnung bei de ren Fertigung eingestellt. Ausgehend von der bereits optimierten Sensoranordnung muss somit die Kompensationsanordnung nur noch die oben genannte Restkompen sation innerhalb der Wählhebelanordnung übernehmen und kann so besonders ein fach und unaufwändig eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Fertigungsverfahren gemäß Patentanspruch 15 für eine erfindungsgemäße Wählhebelanordnung mit Kompensa tionsanordnung. Bei dem Verfahren wird die Sensoranordnung optimiert. Anschlie ßend wird die Sensoranordnung mit bzw. in der Wählhebelanordnung verbaut. Ab schließend wird die Kompensationsanordnung im Rahmen der End-of-Line- Einstellung eingestellt.
Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweili gen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemä ßen Wählhebelanordnung erläutert.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung so wie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzips kizze:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Wählhebelanordnung mit Sensoranordnung in
Seitenansicht,
Figur 2 die Sensoranordnung aus Figur 1 in Frontalansicht,
Figur 3 ein Diagramm mit einem ermittelten Drehwinkel, aufgetragen über einem tatsächlichen Drehwinkel,
Figur 4 ein Drehwinkel-Sensorsystem gemäß Stand der Technik Figur 5 ein Diagramm ermittelter Drehwinkel, aufgetragen über einem tatsächli chen Drehwinkel für verschiedene Sensorpositionen,
Figur 6 die Sensorpositionen für die Ermittlungen nach Figur 5.
Figur 1 zeigt eine Wählhebelanordnung 2 für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug, hier ein Automobil, mit einem Wählhebel 4. Der Wählhebel 4 ist zwischen zwei Posi tionen P1 ,2 bewegbar, wie durch Pfeile angedeutet ist. Mit dem Wählhebel 4 ist in nicht näher erläuterter Weise als Fahrzeugfunktion eine Getriebestufe (Vorwärts, Rückwärts, Parken, Gangwahl) im Automobil wählbar. Die aktuelle Position des Wählhebels 4 soll detektiert werden, um entsprechend das Getriebe ansteuern zu können. Hierzu ist der Wählhebel 4 mit einem Magneten 6 bewegungsgekoppelt.
Die Bewegungskopplung erfolgt dadurch, dass der Magnet 6 auf einer Welle 10 drehfest montiert ist, wobei der Wählhebel 4 wiederum in nicht näher erläuterter Wei se mit der Welle 10 bewegungsgekoppelt ist. Magnet 6 und Welle 10 sind dabei je nach Position P1 ,2 um eine Drehachse 12 drehbar bzw. in einen bestimmten Dreh winkel WT gedreht. Um die Positionen P 1 ,2 zu detektieren, soll der tatsächliche Drehwinkel WT der Welle 10 und damit des Magneten 6 ermittelt werden. Der Mag net 6 ist Teil einer Sensoranordnung 8.
Fig. 2 zeigt nochmals die Sensoranordnung 8 aus Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeiles II aus Fig. 1 ; Fig. 1 zeigt die Blickrichtung I aus Fig. 2. Die Sensoranordnung 8 dient zur Ermittlung eines (ermittelten) Drehwinkels WE, der bei einer idealen Sensoran ordnung dem tatsächlichen Drehwinkel WT entsprechen würde.
Die Sensoranordnung 8 weist einen Grundträger 14 auf. Magnet 6 und Welle 10 sind relativ zum Grundträger 14 um die Drehachse 12 drehbar. Der Magnet 6 ist diametral zur Drehachse 12 magnetisiert (angedeutet durch Nordpol N und Südpol S). Der Magnet 6 ist hier ein Dauermagnet und erzeugt ein magnetisches Messfeld 16, wel ches drehfest mit dem Magneten 6 gekoppelt ist und in den Figuren lediglich durch wenige Feldlinien illustriert ist. Die Sensoranordnung 8 enthält auch einen Sensor 18, hier einen 3D-Hallsensor, der ortsfest zum Grundträger 14 montiert ist. Der Sensor 18 ist dazu eingerichtet, eine Radialkomponente KR und eine Tangentialkomponente KT des Messfeldes 16 zu erfassen. Die entsprechende Radialrichtung und Tangentialrichtung beziehen sich auf die Drehachse 12. Der Sensor 18 ist dazu eingerichtet, den Drehwinkel WE aus der erfassten Radialkomponente KR und der erfassten Tangentialkomponente KT anhand einer Arcustangens-(atan-)Funktion zu ermitteln.
Der Sensor 18 ist mit einem Radialabstand AR zur Drehachse 12 platziert. Dazu ist er neben der, also beabstandet zur Drehachse 12 auf einer Leiterplatte 20 montiert und elektrisch kontaktiert. Eine Oberfläche 22 der Leiterplatte 20 ist parallel und tan gential zur Drehachse 12 ausgerichtet. Im Beispiel ist der Sensor 18 ein SMD- Bauelement.
Der Sensor 18 ist außerdem gegenüber einer quer zur Drehachse 12 liegenden Zent ralebene 24, hier Symmetrieebene, des Magneten 6 um einen Axialabstand AA ver setzt angeordnet.
Figur 3 zeigt einen Verlauf 26 des ermittelten Drehwinkels WE (in Grad), aufgetragen über dem tatsächlichen Drehwinkel WT (in Grad). In der Sensoranordnung 8 sind der Axialabstand AA und der Radialabstand AR so gewählt, dass der Verlauf 26 des er mittelten Drehwinkels WE über dem tatsächlichen Drehwinkel WT hinsichtlich seiner Linearität optimiert ist. Im Beispiel ist ein quadratisches Fehlermaß eines jeweiligen Fehlers F, d.h. einer Abweichung (angedeutet durch eine Linie) des Drehwinkels WE senkrecht vom Verlauf des Drehwinkels WT für realistisch mögliche Axialabstände AA und Radialabstände AR minimiert.
Die entsprechende Optimierung bzw. Minimierung wurde vorliegend durch eine theo retische bzw. modellhafte FEM-Analyse der Verhältnisse für verschiedene Axialab stände AA und Radialabstände AR durchgeführt, bis eine vergleichsweise optimale Linearität, hier das kleinstmögliche Fehlermaß, wie in Figur 3 dargestellt, erreicht war. Zwischenergebnisse für alternative Werte der Abstände AA, AR sind gestrichelt mit verschieden großen Fehlern F dargestellt. Dabei wurden vorliegend auch Variationen des Magnetmaterials und des Magnetvo lumens des Magneten 6 berücksichtigt bzw. das Fehlermaß entsprechend auch be züglich dieser Parameter minimiert. Nach der Minimierung ergibt sich der optimierte, ausgezogen dargestellte Verlauf 26.
Die betreffende Optimierung berücksichtigt jedoch auch die jeweilige Aussteuerung des Sensors 18 durch das Messfeld 16 bei möglichen Axialabständen AA und Radi alabständen AR und magnetischen Parametern. Vorliegend ist ein optimaler Kom promiss zwischen Aussteuerung und möglichst linearem Verlauf 26 gewählt bzw. entsprechende Parameter (AA, AR, magnetische Parameter) gefunden.
Die Sensoranordnung 8 enthält außerdem eine einstellbare Kompensationsanord nung 28, um den Restfehler FR zwischen dem Drehwinkel WE und dem tatsächli chen Drehwinkel WT zu kompensieren, hier vollständig zu eliminieren. Gemäß einer nicht näher erläuterten Abbildungsfunktion wird daher der Verlauf des Drehwinkels WE weiter optimiert und auf jeweilige Werte eines korrigierten Drehwinkels WK ab gebildet. Der Lauf des Drehwinkels WK über den Drehwinkel WT ist ebenfalls in Fi gur 3 gezeigt und mit diesem identisch und somit ideal.
Bei einem Entwurfsverfahren für die Sensoranordnung 8 werden also zunächst Aus gangswerte für die Abstände AA, AR und die Magnetparameter gewählt und diese mit dem oben genannten Iterationsverfahren mithilfe einer jeweiligen FEM-Analyse einer jeweiligen Auswahl variiert, was zu den gestrichelten Kurven in Figur 3 mit un terschiedlichen Fehlermaßen führt. Am Ende des Iterationsverfahrens, bei minima lem Fehlermaß ergibt sich der ausgezogene Verlauf 26 mit Restfehler FR.
Die Einstellung der Kompensationsanordnung 28 erfolgt erst nach Optimierung der Sensoranordnung 8 und deren Einbau in die Wählhebelanordnung 2 im Rahmen ei ner EOL-Einstellung bei der Herstellung bzw. Fertigung der Wählhebelanordnung 2.
Figur 5 zeigt gestrichelt alternative Verläufe 26 ermittelter Drehwinkel WE (in Grad, Sensorsignal), aufgetragen über dem tatsächlichen (mechanischen) Drehwinkel WT (ausgezogen, in Grad). In der Sensoranordnung 8 sind dabei gemäß Fig. 6 Axialab- stände AA und Radialabstände AR (Variation angedeutet durch Pfeile) variiert. Die dargestellten Kurven in Fig. 5 entsprechen einigen der durch Punkte angedeuteten Sensorpositionen. Wenn die Position des Sensors 18 unterhalb des Magneten 6 rich tig gewählt wird (Verlauf 26 mit minimaler Abweichung) kann der Signalfehler gegen über benachbarten Positionen (andere Verläufe 26) so stark minimiert werden, so- dass das rohe (unlinearisierte) Sensorsignal einen Fehler F bis nahezu Null aufweist. In diesem Beispiel sind die Sensorpositionen 0,5mm voneinander entfernt und der Fehler F für die optimierte Position 30 liegt bei <4°gegenüber der idealen Sensorge raden (WT). Für kleiner Abstände von 0,25mm ergeben sich z.B. (nicht dargestellt) optimierte Verläufe 26 mit einem maximalen Fehler F von kleiner 0,5°.
Bezuqszeichen
2 Wählhebelanordnung
4 Wählhebel
6 Magnet
8 Sensoranordnung
10 Welle
12 Drehachse
14 Grundträger
16 Messfeld
18 Sensor
20 Leiterplatte
22 Oberfläche
24 Zentralebene
26 Verlauf
28 Kompensationsanordnung
30 optimierte Position
P1 ,2 Position
WT Drehwinkel (tatsächlich)
WE Drehwinkel (ermittelt)
WK Drehwinkel (korrigiert)
N Nordpol
5 Südpol
KT Tangentialkomponente
KR Radialkomponente
AA Axialabstand
AR Radialabstand
F Fehler
FR Restfehler
Bx,y Feldkomponente

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (8) zur Ermittlung eines Drehwinkels (WE) eines Magneten (6) um eine Drehachse (12) relativ zu einem Grundträger (14),
- mit dem Grundträger (14),
- mit dem relativ zum Grundträger (14) um die Drehachse (12) drehbaren Magneten (6) zur Erzeugung eines magnetischen Messfeldes (16),
- mit einem relativ zum Grundträger (14) ortsfesten Sensor (18) zur Erfassung einer Radialkomponente (KR) und einer Tangentialkomponente (KT) des Messfeldes (16) bezüglich der Drehachse (12) und zur Ermittlung des Drehwinkels (WE) aus der er fassten Radialkomponente (KR) und der erfassten Tangentialkomponente (KT) an hand einer Arcustangens-Funktion,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Sensor (18) mit einem Radialabstand (AR) zur Drehachse (12) neben der Dreh achse (12) auf einer zum Grundträger (14) ortsfesten Leiterplatte (20) montiert und elektrisch kontaktiert ist, deren Oberfläche (22) zumindest am Sensor (18) parallel und tangential zur Drehachse (12) verläuft,
- wobei der Sensor (18) gegenüber einer quer zur Drehachse (12) liegenden Zentral ebene (24) des Magneten (6) in Axialrichtung der Drehachse (12) um einen von Null verschiedenen Axialabstand (AA) versetzt angeordnet ist.
2. Sensoranordnung (8) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Axialabstand (AA) und der Radialabstand (AR) so gewählt sind, dass ein Verlauf (26) des ermittelten Drehwinkels (WE) über dem tatsächlichen Drehwinkel (WT) hin sichtlich seiner Linearität auf ein Fehlermaß zwischen dem ermittelten Drehwinkel (WE) und dem tatsächlichen Drehwinkel (WT) optimiert ist, wobei das Fehlermaß einem maximalen Fehler von 10° in Bezug auf eine volle Umdrehung des Magneten um 360° entspricht.
3. Sensoranordnung (8) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verlauf (26) dahingehend optimiert, dass ein Kompromiss zwischen seiner Linea rität und einer Aussteuerung des Sensors (18) optimiert ist.
4. Sensoranordnung (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verlauf (26) des erfassten Drehwinkels (WE) und - falls vorhanden - der Aus steuerung anhand einer FEM-Analyse des Messfeldes (16) zumindest am Ort des Sensors (18) optimiert ist.
5. Sensoranordnung (8) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Optimierung derart durchgeführt ist, dass anhand einer gerasterten FEM-Analyse vorgebbarer Axialabstände (AA) und Radialabstände (AR) solche gewählt sind, die eine vergleichsweise optimale Linearität des Verlaufs liefern.
6. Sensoranordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (6) drehfest mit einer entlang der Drehachse (12) verlaufenden Welle (10) verbunden ist.
7. Sensoranordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (18) ein auf einer Oberfläche (22) der Leiterplatte (20) montierter und elektrisch kontaktierter SMD-Sensor ist.
8. Sensoranordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (18) ein 3D-Sensor ist.
9. Sensoranordnung (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
auch das Magnetmaterial und/oder das Magnetvolumen so gewählt ist, dass der Ver lauf (26) optimiert ist.
10. Sensoranordnung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoranordnung (8) eine einstellbare Kompensationsanordnung (28) zur Kom pensation eines Restfehlers (FR) des ermittelten Drehwinkels (WE) gegenüber dem tatsächlichen Drehwinkel (WT) enthält.
11. Entwurfsverfahren für eine Sensoranordnung (8) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem
- ein anfänglicher Axialabstand (AA) und Radialabstand (RA) gewählt wird,
- ein Verlauf (26) ermittelt wird,
- der Axialabstand (AA) und/oder der Radialabstand (RA) gemäß einem Iterationsver fahren variiert werden, um den Verlauf (26) zu optimieren.
12. Entwurfsverfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Entwurfsverfahren mit Hilfe einer FEM-Analyse des Messfeldes (16) für den je weiligen aktuellen Axialabstand (AA) und Radialabstand (RA) durchgeführt wird
13. Wählhebelanordnung (2) für ein Fahrzeug, mit einem zur Auswahl einer Fahr zeugfunktion zwischen mindestens zwei Positionen (P1 ,2) bewegbare Wählhebel (4) und mit einer Sensoranordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Wählhebel (4) mit dem Magneten (6) bewegungsgekoppelt ist, und die Positionen (P1 ,2) anhand des ermittelten Drehwinkels (WE) unterscheidbar sind.
14. Wählhebelanordnung (2) nach Anspruch 13 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kompensationsanordnung (28) im Rahmen einer End-of-Line-Einstellung hin sichtlich der Wählhebelanordnung (2) bei deren Fertigung eingestellt ist.
15. Fertigungsverfahren für eine Wählhebelanordnung (2) nach Anspruch 14, bei dem:
- die Sensoranordnung (8) optimiert wird,
- die Sensoranordnung (8) mit der Wählhebelanordnung (2) verbaut wird,
- die Kompensationsanordnung (28) im Rahmen der End-of-Line-Einstellung einge stellt wird.
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