利用平行于印刷电路板的3-D传感器和旋转轴线捕获旋转角度

摘要

在一种用于确定磁体(6)围绕旋转轴线(12)的旋转角度(WE)的传感器装置(8)中，传感器(18)用于捕获磁体(6)的测量场(16)的径向分量(KR)和切向分量(KT)，并且用于基于atan函数确定旋转角度(WE)，传感器(18)在距旋转轴线(12)的径向距离(AR)处安装在印刷电路板(20)上，平行于旋转轴线(12)并且相对于磁体(6)偏移轴向距离(AA)。在一种用于传感器装置(8)的设计方法中，选择初始轴向距离(AA)和径向距离(RA)，确定曲线(26)，并且迭代优化轴向距离(AA)和/或径向距离(RA)。在一种用于车辆的选档杆装置(2)中，选档杆(4)在运动方面与传感器装置(8)的磁体(6)联接。在一种用于选档杆装置(2)的生产方法中，优化传感器装置(8)，将其与选档杆装置(2)一起安装，并且作为生产线终端调节的一部分对补偿装置(28)进行调节。

说明书

本发明涉及一种传感器装置、一种用于传感器装置的设计方法、一种选档杆装置以及一种用于选档杆装置的制造方法。

比如图4中以举例方式展示的传统磁旋转角度传感器系统使用安装在轴10上的直径方向磁化的磁体6来检测围绕旋转轴线12的所确定的旋转角度WE形式的实际旋转角度WT。传感器18形式的SMD传感器元件定位在磁体6下方、在印刷电路板20上，并且使用反正切(atan)函数以及平行于印刷电路板的平面20延伸的(磁体的场的)平面场分量Bx和By来计算旋转编码器磁体(磁体6)的(所确定的)旋转角度WE。在这种布置中，磁体6的旋转轴线12垂直定位在印刷电路板的平面上或印刷电路板20上或其表面22上。

本发明的目的是提供关于旋转角度捕获的改进。

该目的通过如专利权利要求1所述的传感器装置来实现。从进一步的权利要求、以下描述以及附图中，本发明的优选或有利的实施例以及其他发明类别变得显而易见。

传感器装置用于确定磁体围绕旋转轴线的旋转角度。旋转角度是磁体相对于基部载体围绕旋转轴线的旋转角度。传感器装置包含基部载体和磁体。磁体可以相对于基部载体围绕旋转轴线旋转。特别是相对于旋转轴线，磁体具有直径方向或径向或弓形或正弦磁化方向。磁体的几何形状尤其是圆形或圆柱形的，但是磁体也可以形成为任何其他形状。磁体用于产生磁测量场，或者磁体至少在传感器装置操作时产生测量场。磁体尤其是永磁体。

传感器装置包含传感器。传感器尤其是霍尔(Hall)传感器。传感器相对于基部载体以位置固定的方式布置。传感器用于捕获测量场的径向分量和切向分量。相应的径向方向和切向方向应相对于旋转轴线来理解。切向分量是旋转方向上的分量。传感器用于根据传感器在传感器的位置处捕获的径向分量确定旋转角度，并确定传感器在传感器的位置处捕获的切向分量。借助于传感器基于分量进行确定是基于反正切函数(atan函数)进行的。

传感器在旋转轴线附近、距旋转轴线的径向距离处安装在印刷电路板上并且与所述印刷电路板或其导体迹线等电接触连接。印刷电路板是传感器装置的一部分。印刷电路板相对于基部载体以位置固定的方式安装。印刷电路板的表面至少在传感器上或在传感器的位置处或在传感器的区域中相对于旋转轴线平行且切向地延伸。磁体具有相对于旋转轴线横向或垂直地布置的中心平面，尤其是对称平面。中心平面也可以延伸穿过所述磁体的重心。传感器布置成相对于磁体的中心平面在旋转轴线的轴向方向上偏移轴向距离。轴向距离不为零。本发明基于这样的认识，即，即使是根据图4的经典旋转角度捕获，在磁体正下方仍然存在非常大范围的高信号线性度。然而，在平行轴线布置的情况下，线性信号范围非常小并且不在磁体的正下方。此线性范围取决于磁体的材料，取决于磁体的大小和磁体的形状，取决于磁化的类型，并且取决于传感器与磁体(磁体的中心)的距离(径向/轴向)。必须确定此范围，以便能够使用具有线性传感器输出信号的平行轴线布置。

因此，磁体或传感器以轴向偏移的方式彼此相对定位，或者具有轴向偏移。因此，磁体和传感器这两个部件并非对称定位或安装。

因此，在一个优选实施例中，选择轴向距离和径向距离的方式为使得，由传感器确定的旋转角度的曲线(相对于磁体的实际旋转角度绘制)(给定线性-线性应用)在其在所确定的旋转角度(WE)与实际旋转角度(WT)之间的误差度量的线性度方面得以优化，并且所确定的旋转角度在各自的情况下尽可能精确地对应于实际旋转角度。在此背景下，误差度量与相对于磁体旋转360°一整圈的10°的最大误差相对应。误差优选小于5°，优选小于3°，并且优选小于2°。

根据此实施例，因此定义了所确定的旋转角度相对于实际旋转角度(在磁体围绕旋转轴线旋转一整圈的情况下为360°)的误差框架。通过选择相对于磁体的不同传感器位置来获得误差曲线。对应的曲形线或曲线也以一定的规律性非常快地偏离理想曲线。这些曲线在某种程度上显示出相对于理想情况的大约40度或更大的误差。传感器装置的输出中相对于实际旋转角度的这种大误差以及此类传感器装置通常不再能被适当地使用。

在任何情况下，额外的误差来源也是机械公差，比如磁体的倾斜位置。例如，可以实际实现±4度的误差或+1.65度和-1.55度的误差，并且该误差是可以接受的。甚至传感器中的霍尔板本身也以例如0.3毫米的公差安装。也就是说，如果考虑到传感器位置例如分别迭代地移动0.5毫米的事实，则从实用的角度来看，越来越难以达到精确的线性度。

仅仅由于理论上的布置几何结构，还由于公差、不精确度、真实场失真等，在传感器位置处的测量场的径向分量和切向分量的曲线已经不是理想的正弦或余弦。因此，使用由传感器确定的旋转角度形式的atan函数进行的反向评估无法精确提供磁体的实际旋转角度。因此，特征曲形线(其中相对于实际旋转角度绘制了所确定的旋转角度的曲线)并不精确地对应于实际旋转角度的理想曲线，并且因此尤其不是精确地线性的，而是尤其以S形凸出。

通过改变布置的参数，至少改变轴向距离和/或径向距离，实际确定的旋转角度的曲线改变。根据本发明，改变轴向距离和/或径向距离足够长或其方式为直到找到轴向距离与径向距离的如下的组合，在该轴向距离与径向距离的组合下，所确定的旋转角度与实际旋转角度之间的偏差(尤其是在所有测试位置内)在对应变化的限度内(即在考虑的可能位置的限度内，特别是在其有限的选择内)被最小化。特别地，在此背景下，检查相应的大小，并且在旋转轴线的径向-轴向平面中以栅格形状选择用于传感器定位的最佳栅格点(径向距离/轴向距离)，在所有栅格点处都具有合适的栅格间隔和合适数量的栅格点。本领域技术人员对于相应的优化过程和要优化的所确定的旋转角度与实际旋转角度之间的偏差的相应度量两者均具有多种选择可能性。在此，本领域技术人员能够对实际存在的传感器装置进行适当的选择。

测量场以共同旋转的方式锚定在磁体上，也就是说，与磁体一起围绕旋转轴线旋转。根据两个分量进行atan确定对于本领域技术人员是充分已知的，并且这里不打算更详细地解释。“旋转角度”可以是实际的绝对角度值(例如，以度为单位)，或与旋转角度明确相关的任何度量。

因此，印刷电路板在传感器位置“平行”于旋转轴线延伸。这尤其允许SMD传感器的SMD(表面安装器件)安装，以仅在对应平面中或在印刷电路板的表面上捕获分量。根据本发明，选择传感器，该传感器在其对应的安装位置可以确定相对于印刷电路板平行(切向分量)和垂直(径向分量)的对应分量。印刷电路板表面用于安装传感器。因此，用专业术语来说，传感器被布置在旋转轴线“下方”，并在磁体的“下方偏移”。

因此，相对于印刷电路板和传感器(在传感器的位置处)，“切向分量”是相对于旋转轴线的轴向方向的平面场分量或平行场分量。另一方面，“径向分量”是相对于印刷电路板和传感器的竖直或垂直场分量，并且是相对于轴向方向的径向场分量。

因此，磁体的旋转轴线平行于印刷电路板表面并且与印刷电路板表面相距一定距离地延伸。也可以将旋转轴线理解为磁体轴线，并且将磁体理解为编码器磁体。

本发明基于以下思想和认识：在实践中，不再能够成本高效地实施磁体的旋转轴线相对于印刷电路板垂直延伸的布置，特别是如果要拾取旋转运动的(第二)(旋转)轴线要平行于印刷电路板延伸。在那种情况下，第二旋转轴线的运动将必须例如借助于传动装置转动90°到磁体的第一旋转轴线上，从而实现以上结构布置(图4，磁体的旋转轴线垂直于印刷电路板)。作为替代方案，可以将有线部件(THT通孔技术)用于传感器来代替SMD传感器。以这种方式，传感器的感测方向也可以相对于SMD部件旋转90°，并且磁体的旋转轴线可以平行于印刷电路板延伸。这样就不再需要机械地将旋转运动转过90°。然而，由于制造成本较高，THT技术是不期望的。

因此，本发明描述了磁体轴线(旋转轴线)与印刷电路板之间的布置，该布置使得即使磁体(旋转轴线)相对于印刷电路板采取平行轴线取向，也可以检测编码器磁体的旋转角度。为此，再次使用直径方向磁化的磁体(例如，环形磁体)和SMD传感器元件，但是，该SMD传感器元件可以捕获一个竖直场分量(“Bz”)和一个平面场分量(Bx/By)，而不是平面场分量(“Bx，By”，相对于印刷电路板或其表面或其平面)，并且因此可以借助于atan函数进行评估。

此外，根据本发明，(SMD)传感器不再精确地居中定位在磁体89下方的(在中心平面内)，而是相对于磁体的轴对称平面(或中心平面)稍微偏移。此结构偏移提供了相对于(磁体的)(实际)旋转角度绘制的尽可能线性的(测得的旋转角度的)特征曲形线。另外，关于传感器的感应范围，可选地确保传感器的最佳可能调制。然后，还通过传感器(传感器元件)的上限感应操作范围或下限感应操作范围来确定对结构偏移的选择。根据本发明，尤其是可以通过场计算来找到传感器点(传感器的安装位置)，该传感器点形成所确定的旋转角度的最佳可能线性度(信号线性度)或者信号线性度与传感器的调制之间的最佳可能折衷。

使用根据本发明的传感器装置，可以获得几乎线性的(所确定的)旋转角度信号(所确定的旋转角度的曲线)。剩余的残留误差尤其可以通过在包含或使用传感器系统的生产线(EOL)下线时对特征曲形线进行线性化而出现。

在本发明的一个优选实施例中，曲线被优化以达到曲线的线性度与传感器的调制之间的折衷被优化的效果。如上所述，在这种情况下，不仅要优化信号线性度，还要考虑传感器的感应操作范围并优化对应的折衷。

因此，在此背景下，还考虑在传感器的位置处针对相应的实际旋转角度的测量场的幅度。“调制”应理解为与传感器的感应范围相关。因此，调制受到上限感应操作范围和下限感应操作范围(例如，20至100mT)的限制。特别地，为调制选择50至60mT的折衷。因此，根据本发明，可以找到传感器调制与信号线性度之间的最佳可能的折衷(如以上在考虑可能性的上下文中所解释的)。

在一个优选实施例中，已经(在完成的传感器装置中)基于或者(在设计传感器装置时)基于测量场的FEM分析优化(了)捕获的旋转角度的曲线和调制的曲线(如果存在，即对于具有线性度与调制之间的折衷的上述实施例)。在此，FEM分析至少在传感器的位置进行。然后，可以从理论上或在计算机上进行对应的优化，而无需为此进行试验或测量。

在此实施例的一个优选变体中，进行或者已经进行了优化，其方式为使得在可以基于栅格化FEM分析预先定义的轴向距离和径向距离中，选择或者已经选择了这样的一对轴向距离和径向距离，即，其具有曲线的相对最佳的线性度(或者关于其他实施例(例如，上述折衷)也具有最佳结果)。上面已经例如基于对应的“栅格”描述了对应的过程。栅格间隔在此尤其是至少0.1mm或至少0.2mm或至少0.3mm或至少0.4mm或至少0.5mm或至少1mm。栅格间隔尤其最大为1.5mm或最大为1mm或最大为0.75mm或最大为0.5mm或最大为0.3mm或最大为0.1mm。

如果正确选择了磁体下方的传感器位置，则信号误差可以相对于相邻位置最小化到足够大的程度，使得原始(非线性的)传感器信号的误差降低到几乎为零。如果例如传感器位置彼此相距0.5mm，则优化位置相对于理想传感器直线的误差小于4°。可以以更精细的增量获得几乎理想的信号(误差几乎为零)。

术语“可以预先定义”在此应理解为特别是指技术上符合实际的数量(尽可能少但足够)的要检查的栅格点，但是这些栅格点足够密集或者以技术上适当的步进间隔定位在相应的适当出现的径向-轴向范围内。

在一个优选实施例中，磁体以共同旋转的方式、特别是以固定的方式连接到沿着旋转轴线延伸的轴上。因此，磁体可与轴一起绕旋转轴线旋转。轴于是可以用来接收旋转信号，该旋转信号将被捕获并且然后被直接转换到磁体并因此转换到所确定的旋转角度。

在一个优选实施例中，传感器是安装在印刷电路板的表面上并与其电接触连接的SMD传感器。上面已经解释了对应的优点。特别地，以这种方式，SMD技术的已知优点可以用于本发明。

在一个优选实施例中，传感器是3-D传感器。这可以是“真正的”3-D传感器，它实际上可以评估彼此垂直的三个场分量。然而，传感器也可以是仅可以有效输出两个捕获的场分量的传感器，但是可以在传感器中对对应的捕获方向进行编程。由于对应的传感器，即使当使用SMD传感器时，也可以垂直于印刷电路板的平面特别地捕获径向分量，即测量场的场分量。

在一个优选实施例中，在所确定的旋转角度的曲线的优化以及进一步的优化(如果存在)的范围内，除了轴向距离和径向距离之外，还对磁体的材料和/或磁体的体积进行改变或选择以优化所确定的旋转角度的曲线(等)。因此，可以使用额外的可变参数以达到进一步改善的结果。然后，将用于优化轴向距离和径向距离的上述实施例适当地扩展到进一步的参数。

在一个优选实施例中，传感器装置包含可调节的补偿装置。补偿装置用于补偿所确定的旋转角度相对于实际旋转角度的残留误差。在优化之后通常还存在残留误差，这是因为即使使用最佳可能的优化，所确定的旋转角度与实际旋转角度之间的精确对应通常也是不可能的。于是可以通过补偿装置至少更大程度地或者甚至完全地补偿对应的残留误差。补偿装置可以包含例如缩放测量变量或添加校正值。这里向本领域技术人员提供了广泛的选择。

本发明的目的还通过如专利权利要求11所述的用于根据本发明的传感器装置的设计方法来实现，其中，选择轴向距离和径向距离的方式为使得相对于实际旋转角度绘制的所确定的旋转角度的曲线在其在所确定的旋转角度与实际旋转角度之间的误差度量的线性度方面得以优化。在该方法中，选择初始轴向距离和径向距离(以及可选地，根据上述实施例的进一步的参数的起始值)。随后确定所确定的旋转角度的曲线。根据一种迭代方法，随后改变轴向距离和/或径向距离(和/或进一步的参数)，以便如上文所解释的那样优化曲线。

已经结合根据本发明的传感器装置相应地解释了该方法及其至少一些实施例以及各自的优点。

在一个优选实施例中，该设计方法是针对相应的当前轴向距离和径向距离(或者在其他实施例中针对相应地改变的参数，例如材料的选择、磁体的体积等)使用测量场的FEM(用于电磁场的有限元方法)分析来进行的。上面也已经相应地解释了该方法的变体。

本发明的目的还通过如专利权利要求13所述的用于车辆的选档杆装置来实现，该选档杆装置具有能够在至少两个位置之间移动以便选择车辆功能的选档杆，并且该选档杆具有根据本发明的传感器装置，其中，选档杆与磁体动力联接，并且这些位置可以借助所确定的旋转角度来区分。以这种方式，可以基于所确定的旋转角度来推断位置和其中的变化。

因此，上面已经进行了相应的解释的传感器装置和设计方法的优点也反映在相应的选档杆装置中。因此，特别是在选档杆装置中已经具有这样传感器装置，该传感器装置具有在其关于所确定的旋转角度和实际旋转角度的线性度方面被优化的特征曲形线。为了进一步优化选档杆装置或所安装的传感器装置，那么所有必要的是根据传感器装置来优化下游连接的剩余结构。选档杆装置尤其是用于选择车辆中的驱动位置和/或档位的装置。车辆尤其是汽车，尤其是具有半自动/自动变速器，该半自动/自动变速器具有不同的驱动位置和/或档位，这些位置和/或档位可以通过选档杆来选择。

在一个优选实施例中，结合具有补偿装置的传感器装置，在制造补偿装置期间，在相对于选档杆装置的下线(end-of-line)设定的范围内设定或已经设定补偿装置。因此，在已经优化的传感器装置的基础上，补偿装置只需要在选档杆装置内仍然执行上述残差补偿，并且因此可以特别容易地并且以低成本进行设定。

本发明的目的还通过如专利权利要求15所述的用于根据本发明的具有补偿装置的选档杆装置的制造方法来实现。在该方法中，优化传感器装置。随后，将传感器装置与选档杆装置一起安装或安装在选档杆装置中。最后，在下线设定的范围内设定补偿装置。

已经结合根据本发明的选档杆装置相应地解释了该方法及其至少一些实施例以及各自的优点。

本发明的进一步特征、效果和优点可以在本发明的优选示例性实施例的以下描述和附图中找到。在此背景下，在各自的情况下以基本示意图的方式：

图1以侧视图示出了根据本发明的具有传感器装置的选档杆装置，

图2以正视图示出了图1的传感器装置，

图3示出了相对于实际旋转角度绘制的所确定的旋转角度的图表，

图4示出了根据现有技术的旋转角度传感器系统，

图5示出了针对各种传感器位置的相对于实际旋转角度绘制的所确定的旋转角度的图表，以及

图6示出了针对根据图5的所确定的传感器位置。

图1示出了用于车辆(未更详细展示)的选档杆装置2，该车辆在这里是汽车，该选档杆装置具有选档杆4。选档杆4可以在两个位置P1、P2之间移动，如箭头所示。可以通过选档杆4以未详细解释的方式将汽车中的传动级(前进档、倒档、驻车档、挡速选择)选择为车辆功能。将检测选档杆4的当前位置，以便能够相应地致动变速器。为此，选档杆4与磁体6动力联接。

通过将磁体6以共同旋转的方式安装在轴10上来进行动力联接，其中，选档杆4又以未详细解释的方式与轴10动力联接。磁体6和轴10在这里可以围绕旋转轴线12旋转，或者根据位置P1、P2旋转成特定的旋转角度WT。为了检测位置P1、P2，要确定轴10的实际旋转角度WT以及因此磁体6的实际旋转角度WT。磁体6是传感器装置8的一部分。

图2在图1中的箭头II的观察方向上再次示出了图1中的传感器装置8；图1示出了图2的观察方向I。传感器装置8用于确定(所确定的)旋转角度WE，该旋转角度将对应于理想传感器装置中的实际旋转角度WT。

传感器装置8具有基部载体14。磁体6和轴10可以围绕旋转轴线12相对于基部载体14旋转。磁体6相对于旋转轴线12沿直径方向被磁化(由北极N和南极S指示)。磁体6在这里是永磁体并且产生磁测量场16，该磁测量场以共同旋转的方式耦合到磁体6并且在附图中仅通过少量的场线展示。

传感器装置8还包含传感器18，这里是3-D霍尔传感器，该传感器相对于基部载体14以位置固定的方式安装。传感器18被配置成捕获测量场16的径向分量KR和切向分量KT。相应的径向方向和切向方向与旋转轴线12相关。传感器18被配置成基于反正切(atan)函数由捕获的径向分量KR和捕获的切向分量KT确定旋转角度WE。

传感器18被定位在距旋转轴线12的径向距离AR处。为此，该传感器在旋转轴线12附近(也就是说与旋转轴线相距一定距离)被安装在印刷电路板20上并与其电接触连接。印刷电路板20的表面22相对于旋转轴线12平行且切向地定向。在该示例中，传感器18是SMD部件。

传感器18还布置成相对于磁体6的相对于旋转轴线12横向布置的中心平面24(在此为对称平面)偏移轴向距离AA。

图3示出了相对于实际旋转角度WT(以度为单位)绘制的所确定的旋转角度WE(以度为单位)的曲线26。在传感器装置8中，选择轴向距离AA和径向距离AR的方式为使得相对于实际旋转角度WT绘制的所确定的旋转角度WE的曲线26在其线性度方面被优化。在示例中，对于实际可能的轴向距离AA和径向距离AR，使相应误差F的、即旋转角度WE的垂直于旋转角度WT的曲线的偏差(由线指示)的二次误差度量最小化。

在目前情况下已经通过对各种轴向距离AA和径向距离AR的比值进行理论或建模FEM分析，进行了相应的优化或最小化，直到达到相对最佳的线性度(这里是最小可能的误差度量)为止，如图3所示。距离AA、AR的替代值的中间结果由具有不同量值的误差F的虚线表示。

在此背景下，在本例中还考虑了磁体的材料和磁体6的体积的变化，并且相对于这些参数，误差度量也相应地被最小化。在最小化之后，获得由实线展示的优化曲线26。

然而，相应的优化还考虑了借助于测量场16以可能的轴向距离AA和径向距离AR以及磁参数对传感器18进行相应的调制。在本例中，在调制与最线性的可能曲线26之间选择最佳折衷，并找到对应的参数(AA、AR、磁参数)。

传感器装置8还包含可调节的补偿装置28，以便补偿旋转角度WE与实际旋转角度WT之间的残留误差FR，从而在此完全消除该误差。根据一个映射函数(这里没有更详细地描述)，旋转角度WE的曲线因此被进一步优化并映射到校正后的旋转角度WK的相应值上。相对于旋转角度WT绘制的旋转角度WK的走向也在图3中示出并且与旋转角度WT相同，并且因此是理想的。

因此，在用于传感器装置8的设计方法中，首先选择距离AA、AR和磁体参数的初始值，并且使用相应选择的相应FEM分析来通过上述迭代方法改变AA、AR和磁体参数，从而得出图3中的具有不同误差度量的虚曲形线。在迭代方法的最后，当存在最小误差度量时，获得具有残留误差FR的实线曲线26。

因此，在选档杆装置2的生产或制造期间，仅在进行了传感器装置8的优化并且将传感器装置安装在选档杆装置2中之后才在EOL设定的范围内进行补偿装置28的设定。

图5示出了相对于实际(机械)旋转角度WT(实线，以度为单位)绘制的所确定的旋转角度WE(以度为单位，传感器信号)的虚线替代曲线26。在此背景下，根据图6，在传感器装置8中改变轴向距离AA和径向距离AR(变化由箭头指示)。图5中所示的曲形线对应于由点指示的一些传感器位置。如果正确选择了传感器18在磁体6下方的位置(具有最小偏差的曲线26)，则相对于相邻位置(其他曲线26)的信号误差可以被最小化到足够的程度，使得原始(非线性的)传感器信号的误差F降低到几乎为零。在该示例中，传感器位置彼此相距0.5mm，并且优化位置30的误差F相对于理想传感器直线(WT)为<4°。对于0.25mm的相对小的距离，例如获得具有小于0.5°的最大误差F的优化曲线26(未展示)。

2 选档杆装置

4 选档杆

6 磁体

8 传感器装置

10 轴

12 旋转轴线

14 基部载体

16 测量场

18 传感器

20 印刷电路板

22 表面

24 中心平面

26 曲线

28 补偿装置

30 优化位置

P1，P2 位置

WT 旋转角度(实际)

WE 旋转角度(所确定的)

WK 旋转角度(校正后的)

N 北极

S 南极

KT 切向分量

KR 径向分量

AA 轴向距离

AR 径向距离

F 误差

FR 残留误差

Bx，By 场分量