DE29815350U1 - Vorrichtung zur Positionsbestimmung beweglicher Gegenstände - Google Patents

Description

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Delphi Automotive Systems D 3229-Dt/Bk

Deutschland GmbH Vorrichtung zur Positionsbestimmung beweglicher Gegenstände

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung beweglicher Gegenstände gegenüber einem Bezugsobjekt.

Entsprechende Vorrichtungen werden beispielsweise im Kfz-Bereich dazu verwendet, die Position, insbesondere die Höhenposition eines Kraftfahrzeugsitzes festzustellen. Dies kann beispielsweise dazu verwendet werden, bestimmte Sitzpositionen in einem Speicher abzulegen und bei Bedarf automatisch anfahren zu können. Die Bewegung des Sitzes kann dabei beispielsweise pneumatisch, elektrisch oder auf sonstige geeignete Weise erfolgen.

Weiterhin besitzt die Positionsbestimmung auch eine Schutzfunktion, da beispielsweise Positionen, die aufgrund von Sicherheitsauflagen nicht überschritten werden dürfen, sowie bestimmte Endpositionen erfaßt werden können und die Bewegung des Sitzes bei Erreichen dieser Position automatisch abgestoppt werden kann.

Grundsätzlich ist es möglich, die Position der beweglichen Gegenstände dadurch zu erfassen, daß an diesen beispielsweise Potentiometer vorgesehen werden, wobei der Schleifkontakt des Potentiometers so mit dem Bezugsobjekt gekoppelt ist, daß bei einer Bewegung der Gegenstände der Schleifkontakt bewegt wird, so daß sich der Widerstand des Potentiometers ändert. Auf diese Weise kann eine Bewegung des Gegenstandes erfaßt und seine jeweilige Position bestimmt werden.

Solche Potentiometerlösungen sind nachteilig, da sie zum einen verschleißbehaftet sind und zum anderen der Bewegungsverlauf der beweglichen Gegenstände genau mit dem Verschiebeweg des jeweiligen Potentiometers übereinstimmen muß, was eine exakte, aufwendige Justage des Potentiometers sowie des beweglichen Gegenstandes bezüglich des Bezugsobjekts voraussetzt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie zum einen einfach einzubauen und zu justieren ist und daß zum anderen auch im Dauerbetrieb eine problemlose Funktion sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch ein an dem beweglichen Gegenstand vorgesehenes, ein Magnetfeld erzeugendes magnetisches Element, einen an dem Bezugsobjekt vorgesehenen, für die Richtung des Magnetfeldes empfindlichen Sensor und eine Auswerteschaltung zum Bestimmen der Position des beweglichen Gegenstandes aus der von dem Sensor erfaßten Magnetfeldrichtung, f

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine berührungslose Positionserfassung möglich, bei der die Richtung des Magnetfeldes eines magnetischen Element zur Bestimmung der jeweiligen Position des beweglichen Gegenstandes ausgewertet wird. Im Gegensatz zu als Hallsonden ausgebildeten Sensoren wird nicht die magnetische Feldstärke ermittelt, sondern die jeweilige am Sensorort vorhandene Richtung des Magnetfeldes. Die Erfassung und Auswertung der Magnetfeldrichtung hat den Vor-

teil, daß sie unabhängig von der Magnetfeld stärke ist, wodurch eine höhere Auflösung erreichbar ist und eine flexiblere Anordnung der verwendeten Elemente gewählt werden kann.

Gegenüber der eingangs beschriebenen Potentiometerlösung besitzt die erfindungsgemäße, berührungslose Positionsbestimmung den Vorteil, daß prinzipbedingt kein Verschleiß auftreten kann und darüber hinaus die Montage des magnetischen Elementes, des Sensors sowie des beweglichen Gegenstandes gegenüber dem Bezugsobjekt wesentlich einfacher vorzunehmen ist. Insbesondere sind durch die berührungsfreie Kopplung komplexere Bewegungsverläufe zwischen dem beweglichen Gegenstand und dem Bezugsobjekt möglich sowie höhere Toleranzen akzeptabel, als es bei der kontaktbehafteten Kopplung mittels der Potentiometerlösung der Fall ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das magnetische Element als insbesondere aus Ferrit bestehender Permanentmagnet ausgebildet. Auf diese Weise sind keine Kabel zur Versorgung des magnetischen Elements mit Strom erforderlich, wie sie bei einem Elektromagneten nötig wären, so daß zum einen Kosten reduziert werden können und zum anderen die bei einer Kabellösung erforderlichen, anfälligen Steckverbindungen vermieden werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfaßt der Sensor einen Ausgang, an dem ein von dem Sensor erzeugtes, jeweils für die momentan erfaßte Magnetfeldrichtung repräsentatives Ausgangssignal abgreifbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann über das am Sensorausgang anliegende Ausgangssignal die jeweilige momentane Position des be-

weglichen Gegenstandes exakt erfaßt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß der Sensor nur diskrete, bestimmten Positionen zugeordnete Ausgangssignale erzeugt. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn nur eine Endlagenkontrolle, beispielsweise an den beiden Endlagen einer linearen Bewegung, erforderlich ist.

Bevorzugt ist ein Speicherelement zum Speichern von verschiedene Magnetfeldrichtungen und damit verschiedene Positionen des Gegenstandes repräsentierenden Ausgangssignalwerten des Sensors vorgesehen. Die gespeicherten Ausgangssignalwerte können beispielsweise unterschiedlichen Positionen eines Kraftfahrzeugsitzes entsprechen, wie sie für unterschiedliche Personen individuell einstellbar und in dem Speicher ablegbar sind. Weiterhin können die abgespeicherten Ausgangssignalwerte Positionen repräsentieren, die aus Sicherheitsgründen nicht überschritten werden dürfen, so daß bei einem entsprechenden Erkennen dieser Ausgangssignalwerte durch die Auswerteschaltung die Bewegung des Sitzes automatisch gestoppt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt das magnetische Element zumindest ein Positionierelement, insbesondere einen Positionieransatz, das mit zumindest einem an dem beweglichen Gegenstand ausgebildeten Positioniergegenelement, insbesondere einer Positionieröffnung, zur eindeutigen Positionierung des magnetischen Elements bezüglich des beweglichen Gegenstands zusammenwirkt.

Durch die erfindungsgemäßen Positionierhilfen ist gewährleistet, daß das magnetische Element exakt in der gewünschten Position an dem beweglichen Gegenstand festgelegt wird. Dabei kann grundsätzlich auch ein ent-

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sprechender Positionieransatz an dem beweglichen Gegenstand und eine entsprechend ausgebildete Positionieröffnung an dem magnetischen Element ausgebildet sein.

Durch die Festlegung der Position des magnetischen Elements an dem beweglichen Gegenstand ist auch die räumliche Zuordnung zwischen dem magnetischen Element und dem an dem Bezugsobjekt vorgesehenen Sensor definiert. Zusätzlich zu der durch die Positionierelemente geschaffenen Justierung kann durch einen Einmeßvorgang, beispielsweise durch Anfahren vorgegebener Endpositionen des beweglichen Gegenstandes und Abspeichern der entsprechenden, gemessenen Ausgangssignale des Sensors in dem Speicherelement, zusätzlich eine Feinjustierung erfolgen. Durch die Positionierelemente muß lediglich sichergestellt werden, daß nach erfolgter Montage des beweglichen Gegenstandes an dem Bezugsobjekt das magnetische Element und der Sensor so zueinander angeordnet sind, daß über den gesamten vorgesehenen Bewegungsverlauf des beweglichen Gegenstandes der Sensor das von dem magnetischen Element erzeugte Magnetfeld erfassen kann.

Während es insbesondere bei der Ausbildung des magnetischen Elements als Permanentmagnet vorteilhaft ist, daß dieser an dem beweglichen Gegenstand und der Sensor an dem ortsfesten Bezugsobjekt angeordnet ist, ist es grundsätzlich auch möglich, daß in allen beschriebene Ausführungsformen Sensor und magnetisches Element vertauscht sind, d. h. daß der Sensor an dem beweglichen Gegenstand und das magnetische Element an dem Bezugsobjekt vorgesehen ist.

Weiterhin ist zwar als bevorzugte Ausführungsform die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kraftfahrzugssitzes beschrieben, grundsätzlich ist jedoch eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung für jede beliebige Positionsbestimmung eines beweglichen Gegenstandes geeignet. So kann beispielsweise auch die jeweilige Position einer Lenkradachse bei einer Drehung des Lenkrades mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise ermittelt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Figur 1 eine schematische teilweise perspektivisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Sitzes,

Figur 2 die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Winkelposition eines Lenkrades,

Figur 3 eine Seitenansicht auf ein magnetisches Element einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Positionieransatz und

Figur 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Figur 3.

Figur 1 zeigt einen schematisch dargestellten Kraftfahrzeugssitz 1, der bezüglich eines ein Bezugsobjekt 2 bildenden Rahmens des Kraftfahrzeuges beweglich gelagert ist.

In der Sitzfläche 3 des Kraftfahrzeugessitzes 1 ist eine drehbar gelagerte Achse 4 angeordnet, die entlang eines Doppelpfeils 5 um einen bestimmten Winkel, beispielsweise um 30° verschwenkbar ist.

Die Achse 4 ist dabei so mit einem nicht dargestellten, beispielsweise hydraulischen Verstellmechanismus gekoppelt, daß eine Drehung der Achse 4 zu einer Höhenverstellung des Sitzes 1 führt.

Auf der Oberfläche der Achse 4 ist ein als Permanentmagnet ausgebildetes, teilringförmiges magnetisches Element 6 angeordnet, das mit der Achse 4 beispielsweise verklebt ist. Das magnetische Element 6 ist dabei so magnetisiert, daß seine magnetischen Feldlinien seitlich der in Figur 1 vorne liegenden Stirnseite im wesentlichen rechtwinklig austreten, entlang der Längsseite des magnetischen Elements 6 verlaufen und seitlich der in Figur 1 nicht sichtbaren hinteren Stirnseite des magnetischen Elements 6 wieder im wesentlichen senkrecht eintreten. /

Beispielhaft ist in Figur 1 eine der von dem magnetischen Element 6 erzeugten Magnetfeldlinien 7 dargestellt, die von dem Nordpol des magnetischen Elements 6 zu dessen Südpol verläuft. An der Magnetfeldlinie 7 ist eine Vielzahl von Magnetfeldvektoren 8 eingezeichnet, die jeweils die Richtung des Magnetfelds an dem Basispunkt des jeweiligen Magnetfeldvektors 8 darstellen.

Von dem magnetischen Element 6 ist sowohl in Längsrichtung der Drehachse 4 als auch senkrecht dazu ein Sensor 9 beabstandet angeordnet, der in nicht dargestellter Weise mit dem das Bezugsobjekt 2 bildenden Rahmen verbunden ist. Der Sensor 9 ist zur Erfassung der durch die Magnetfeldvektoren 8 dargestellten Magnetfeldrichtung ausgebildet und besitzt einen Ausgang 10, an dem ein für die jeweils erfaßte Magnetfeldrichtung repräsentatives Ausgangssignal erzeugt wird. Der Abstand zwischen dem magnetischen Element 6 und dem Sensor 9 kann dabei in beiden Richtungen beispielsweise jeweils ca. 2 bis 5, insbesondere ca. 3 mm betragen.

Der Ausgang 10 ist über eine Leitung 11 mit einer Auswerteschaltung 12 verbunden, mit der aus dem Ausgangssignal des Sensors 9 die jeweilige Winkelposition der Drehachse 4 und damit die jeweilige Höhenposition des Kraftfahrzeugssitzes 1 ermittelbar ist. Grundsätzlich können der Sensor und die Auswerte schaltung 12 auch auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder integral miteinander ausgebildet sein. Es ist auch möglich, daß auch das magnetische Element 6 integral mit dem Sensor 9 und der Auswerteschaltung 12 ausgebildet ist, wobei eine Relativbewegung zwischen dem magnetischen Element 6 und dem Sensor 9, beispielsweise eine Kreisoder eine Linearbewegung, möglich sein muß.

Die Auswerteschaltung 12 umfaßt weiterhin ein Speicherelement 13, in dem verschiedene Werte für das Ausgangssignal des Sensors 9, die jeweils unterschiedliche Positionen des Sitzes 1 repräsentieren, abspeicherbar sind.

Bei einem Verdrehen der Drehachse 4 ändert sich am Ort des Sensors 9 jeweils die Richtung des von dem magnetischen Element 6 erzeugten Magnetfeldes, so daß der die Magnetfeldrichtung erfassende Sensor 9 jeweils ein entsprechendes Ausgangssignal an seinem Ausgang 10 erzeugt und über die Leitung 11 an die Auswerteschaltung 12 weitergibt. Auf diese Weise kann jeweils die aktuelle Position des Kraftfahrzeugs sitze s 1 durch die Auswerteschaltung 12 erfaßt werden. Beispielsweise verläuft die in der in Figur 1 dargestellten Mittelstellung der Drehachse 4 von dem Sensor 9 erfaßte Magnetfeldkomponente 8 senkrecht zur Drehachse 4, während in den beiden Endstellungen der Drehachse 4, in denen jeweils das Ende des magnetischen Elements 6 schräg unterhalb des Sensors 9 zu liegen kommt, die erfaßte Magnetfeldkomponente 8 parallel zur Drehachse 4 verläuft.

In einem Initialisierungsvorgang können beispielsweise die beiden Endpositionen, das heißt die höchste und die tiefste Stellung des Kraftfahrzeugsitzes 1 angefahren und die dabei jeweils erzeugten Ausgangssignale des Sensors 10 von der Auswerteschaltung 12 erfaßt und in dem Speicherelement 13 abgespeichert werden. Auf diese Weise ist eine Feinjustage des Systems möglich, ohne daß an die Montage des magnetischen Elements 6 zu hohe Anforderungen gestellt werden müssen. Es ist lediglich erforderlich, daß beim Verschwenken der Drehachse 4 über den gesamten Schwenkbereich der Sensor 9 innerhalb der Magnetfeldlinien 7 zu liegen kommt, so daß er jeweils die Richtung des magnetischen Feldes erfassen kann.

Soll im Betrieb beispielsweise eine bestimmte Position des Kraftfahrzeugsitzes 1 angefahren werden, so kann die Drehachse 1 solange verdreht

werden, bis das von dem Sensor 9 erzeugte Ausgangssignal mit einem entsprechenden, in dem Speicherelement 13 der Auswerteschaltung 12 abgespeicherten Signalwert übereinstimmt.

Weiterhin können bestimmte, maximal zulässige Positionen des Sitzes 1 repräsentierende Signalwerte in dem Speicherelement 13 abgespeichert sein, die aus Sicherheitsgründen in keinem Fall überschritten werden dürfen.

Figur 2 zeigt ein Lenkrad 14 eines Kraftfahrzeuges, das mit einer gemäß einem Doppelpfeil 15 drehbar gelagerten Lenkradachse 16 verbunden ist. An der Lenkradachse 16 ist, wie an der Drehachse in Figur 1, ein magnetisches Element 6 angeordnet, das zusammen mit der Lenkradachse 16 verdrehbar ist.

Das magnetische Element 6 erzeugt wiederum ein Magnetfeld, dessen Richtung in zu der Figur 1 beschriebenen Weise von dem Sensor 9 erfaßt und von der Auswerteschaltung 12 ausgewertet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das magnetisch Element in einem beispielsweise aus Kunststoff hergestellten Trägerelement 17 gelagert, beispielsweise mit diesem verklebt. Das Trägerelement 17 besitzt an seiner Unterseite eine Form, die an die Oberfläche der Drehachse 4 angepaßt ist, so daß das Trägerelement 17 zusammen mit dem magnetischen Element 6 formschlüssig auf die Drehachse 4 aufsetzbar ist.

An der Unterseite des Trägerelementes 17 ist ein als Zapfen ausgebildetes Positionierelemente 18 vorgesehen, das beim Aufsetzen des Trägerele-

ments 17 auf die Drehachse 4 in eine in dieser ausgebildete, ein Positioniergegenelement bildende Positionieröffnung 19 eingreift. Durch das Positionierelement 18 und die Positionieröffnung 19 ist auf einfache Weise eine korrekte Positionierung des magnetischen Elementes 6 auf der Drehachse 4 und damit eine korrekte Positionierung bezüglich des Sensors 9 möglich.

Es ist auch denkbar, daß beispielsweise die Drehachse 4 mit einer eine Rasterung bildenden Vielzahl von Vertiefungen versehen ist, die mit entsprechenden Ansätzen an der Unterseite des magnetischen Elementes 6 bzw. des Trägerelementes 17 in Eingriff gebracht werden können. Auf diese Weise kann das magnetische Element 6 entsprechend der gewählten Rasterung in unterschiedlichen Positionen an der Drehachse 4 montiert, beispielsweise mit dieser verklebt werden, so daß dadurch Toleranzen, die beispielsweise bei der Montage der Drehachse 4 auftreten, durch entsprechendes versetztes Aufbringen des magnetischen Elementes 6 ausgeglichen werden können. Die Feinjustage des magnetischen Elementes 6 gegenüber dem Sensor 9 kann dann mittels des beschriebenen Einmeßvorganges erfolgen.

Aus der Figur 4 ist anhand der Magnetfeldlinie 7 und der die Magentfeldrichtung darstellenden Pfeile 8', 8" nochmals die Änderung der Magnetfeldrichtung entlang der Magnetfeldlinie 7 dargestellt. Dabei ist durch ein Kreuz 20 der Ort des Sensors 9 angedeutet. In der dargestellten Position der Drehachse 4 wird von dem Sensor 9 die durch den Pfeil 8' dargestellte Magnetfeldkomponente erfaßt, die senkrecht zur Drehachse 4 verläuft. Wird die Drehachse 4 soweit verdreht, bis der Nordpol des magnetischen Elements 6 in der Figurenebene oben zu liegen kommt, so wird von dem

Sensor 9 die durch den Pfeil 8" dargestellte Magnetfeldkomponente erfaßt, deren Richtung parallel zur Drehachse 4, in der Figur nach rechts verläuft. Wird die Drehachse 4 in die entgegengesetzte Richtung soweit verdreht, bis der Südpol des magnetischen Elements 6 in der Figurenebene oben zu liegen kommt, so wird von dem Sensor 9 die durch den Pfeil 8'" dargestellte Magnetfeldkomponente erfaßt, deren Richtung ebenfalls parallel zur Drehachse 4, in der Figur jedoch nach links verläuft.

Die Auswerteschaltung 12 ist vorteilhaft als Mikroprozessor ausgebildet, wobei das Speicherelement 13 beispielsweise durch ein EEPROM gebildet wird. Weiterhin wird das Ausgangssignal des Sensors 9 bevorzugt mittels einer Operationsverstärkerschaltung aufbereitet, bevor es für die weitere Auswertung dem Mikroprozessor zugeführt wird. Da es sich bei den auszuwertenden Ausgangssignalen um Analogsignale handelt, ist eine exakte Mittenpositionierung des Sensors bzw. des magnetischen Elements nicht erforderlich. Die mechanischen Toleranzen des Sitzsystems, die beispielsweise aufgrund der Schweißverbindungen der einzelnen Elemente vorhanden sind, können in einfacher Weise durch den beschriebenen Einmeßvorgang berücksichtigt werden.

Bezugszeichenliste

1	Kraftfahrzeugsitz
2	Bezugsobjekt
3	Sitzfläche
4	Drehachse
5	Doppelpfeil
6	magnetisches Element
7	Magnetfeldlinien
8	Magnetfeldvektoren
9	Sensor
10	Ausgang
11	Leitung
12	Auswerteschaltung
13	Speicherelement
14	Lenkrad
15	Doppelpfeil
16	Lenkradachse
17	Trägerelement
18	Positionierelement
19	Positionieröffnung
20	Ort des Sensors 9

Claims (9)

Delphi Automotive Systems D 3229-Dt/Bk Deutschland GmbH Ansprüche:

1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung beweglicher Gegenstände (4, 16) gegenüber einem Bezugsobjekt (2),
gekennzeichnet durch ein an dem beweglichen Gegenstand (4, 16) vorgesehenes, ein Magnetfeld erzeugendes magnetisches Element (6), einen an dem Bezugsobjekt (2) vorgesehenen, für die Richtung des Magnetfeldes empfindlichen Sensor (9) und eine Auswerte schaltung (12) zum Bestimmen der Position des beweglichen Gegenstandes (4, 16) aus der von dem Sensor (9) erfaßten Magnetfeldrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (6) als insbesondere aus Ferrit bestehender Permanentmagnet ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) einen Ausgang (10) umfaßt, an dem ein von dem Sensor (9) erzeugtes, jeweils für die momentan erfaßte Magnetfeldrichtung repräsentatives Ausgangs signal abgreifbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherelement (13) zum Speichern von verschiedene Magnetfeldrichtungen und damit verschiedene Positionen des Gegenstandes (4, 16) repräsentierenden Ausgangssignalwerten des Sensors (9) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß an dem magnetischen Element (6) zumindest ein Positionierelement (18), insbesondere ein Positionieransatz, vorgesehen ist, das mit zumindest einem an dem beweglichen Gegenstand (4, 16) ausgebildeten Positioniergegenelement (19), insbesondere einer Positionieröffnung, zur eindeutigen Positionierung des magnetischen Elements (6) bezüglich des beweglichen Gegenstands (4, 16) zusammenwirkt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (6) mit dem beweglichen Gegenstand (4, 16) verklebt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (6) an dem Bezugsobjekt (2) und der Sensor (9) an dem beweglichen Gegenstand (4, 16) vorgesehen sind.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Gegenstand (4) Teil eines insbesondere in seiner Höhe verstellbaren Sitzes (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugsitzes, ist und bei der Verstellung des Sitzes (1) eine dem Verstellweg entsprechende Bewegung erfährt, die durch die Auswerteschaltung (12) erfaßbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Gegenstand (16) mit der Lenkradachse eines Kraftfahrzeugs gekoppelt oder als Lenkradachse ausgebildet ist, so daß eine Drehung des Lenkrads (14) durch die Auswerteschaltung (12) erfaßbar ist.