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1. WO2020109384 - ROTATION ANGLE CAPTURE WITH A 3-D SENSOR AND AN AXIS OF ROTATION PARALLEL TO A PRINTED CIRCUIT BOARD

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

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