(57)【要約】本発明は、ボールジョイントの回転角及び傾倒角又はそのいずれか一方を検出するための回転角検出兼傾倒角検出装置であって、少なくとも１つの磁石（２）、特に永久磁石がジョイントボール（１ａ）内に配置されている形式のものにおいて、少なくとも１つの磁石（２）の磁界を磁気光学式効果を用いて表示するに表示装置（４）が設けられており、該表示装置（４）によって表示された情報を検出する画像検出装置（１０）が設けられており、さらにボールジョイントの球面シェル（３）とジョイントボール（１ａ）との相対的な位置を、検出された情報に基づいて計算するデータ処理ユニットが設けられている。
2005539238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールジョイントの回転角及び傾倒角又はそのいずれか一方を検出するための回転角検出兼傾倒角検出装置であって、球面シェル（３）内に回転可能及び旋回可能に支承されていてジョイントボール（１ａ）とピン（１ｂ）とを有するボールピン（１）が設けられており、少なくとも１つの磁石（２）、特に永久磁石がジョイントボール（１ａ）内に配置されている形式のものにおいて、少なくとも１つの磁石（２）の磁界を表示する、磁気光学式効果に基づいて働く表示装置（４）と、該表示装置（４）によって示された情報を検出する画像検出装置（１０）と、検出された情報に基づいて球面シェル（３）に対するボールピン（１）の位置を計算するデータ処理ユニットとが設けられていることを特徴とする回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項２】
少なくとも２つの永久磁石（２）が互いに並んでかつ互いに間隔をおいてジョイントボール（１ａ）内に配置されており、永久磁石（２）のそれぞれ少なくとも１つのＮ極及びＳ極が、ジョイントボール（１ａ）の表面に向けられている、請求項１記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項３】
磁気光学式のプレートが表示装置（４）としてボールジョイントの球面シェル（３）の外側に配置されているか又は、軸受シェルの一体に組み込まれた構成部材を形成している、請求項１又は２記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項４】
光源（５）を用いて光学式のプレート（４）が、偏光された電磁波（Ｓ）によって規定の角度を成して照射され、光学式のセンサが画像検出ユニット（１０）として配置されていて、光学式のプレート（４）によって反射された電磁波（Ｓ）が少なくとも１つの偏光フィルタ（８）の通過後に光学式のセンサ（１０）に達するようになっている、請求項３記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項５】
レンズ（６，９）が電磁波（Ｓ）の光線路に、該電磁波（Ｓ）の集束及び焦点合わせ又はそのいずれか一方のために配置されている、請求項４記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項６】
データ処理ユニットによってボールジョイントの回転角及び傾倒角又はそのいずれか一方が、単数又は複数の磁石（２）の少なくとも２つの磁極の磁界によって生ぜしめられて表示装置（４）を用いて表示される明るい部位（ＭＨ，ＭＨ′，ＭＨ′′，ＭＨ′′′）及び暗い部位（ＭＤ，ＭＤ′，ＭＤ′′，ＭＤ′′′）又はそのいずれか一方の相対的な変化及び絶対的な位置又はそのいずれか一方によって、検出される、請求項１から５までのいずれか１項記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項７】
回転角検出兼傾倒角検出装置を用いて、自動車の圧縮による沈み込み高さが検出可能である、請求項１記載から６までのいずれか１項記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項８】
表示装置（４）がグリス室（３ａ）を外方に向かってシールしている、請求項１記載から７までのいずれか１項記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項９】
表示装置（４）がグリス室（３ａ）の壁領域を形成している、請求項８記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項１０】
表示装置（４）が軸受シェル（３）内に一体に注型もしくは包埋成形されているか、又は軸受シェル（３）に固定されている、請求項１記載から９までのいずれか１項記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【請求項１１】
ボールピン（１）が強磁性材料、特に鋼から成っている、請求項１記載から１０までのいずれか１項記載の回転角検出兼傾倒角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールジョイント用の回転角検出兼傾倒角検出装置に関する。
【０００２】
ボールジョイントは、３つの自由度を可能にするので重要な機械的な構成部材である。ここでは例えばジョイスティックと車両構成部材とを２つの典型的なボールジョイント使用例として挙げる。従来、回転角と傾倒角の測定は、ボールジョイントの使用のために大きな問題であった。回転角を測定するためには種々様々な回転角センサが公知である。これらの回転センサは多くの場合、センサが配置されている定置の磁界を使用しており、このような場合にはセンサの抵抗が、ボールジョイントの回転運動に関連して変化する。これらのセンサには、該センサがもっぱら回転運動だけを検出し、ボールジョイントの傾倒運動を検出しないという欠点がある。傾倒運動を回転運動と共に検出したい場合には、複数のセンサを複雑に関連付けることが必要である。
【０００３】
例えばヨーロッパ特許第０６１７２６０号明細書に開示された測定装置は、車両ボディの位置変化を無接触式に連続的に測定するための磁気抵抗式のセンサを備えており、この測定装置では１つの永久磁石がボールジョイントのボールヘッドの上部頂点に配置されていて、センサがボールジョイント受けの開口の頂点の下の領域に配置されている。
【０００４】
ホールセンサをベースにして働くセンサには、外部の磁界及び温度変化に対して極めて敏感であるという欠点がある。またホールセンサの使用時には、励起する磁石の経年劣化が補償されないという不都合が生じる。さらに回転角及び傾倒角の計算が極めて面倒で、しかも多くの場合特性マップの登録もしくは記憶が必要である。
【０００５】
ゆえに本発明の課題は、ボールジョイントの回転運動と傾倒運動の両方を検出することができ、しかも構造が単純なセンサもしくはセンサ装置を提供することである。
【０００６】
この課題を解決するために本発明では、ボールジョイントが請求項１の特徴部に記載のように構成されている。本発明によるボールジョイントの別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。
【０００７】
自動車工業界は、道路に対するホイールのポジションを検出するセンサに対して、大きな関心をもっている。ボールジョイントはこのポジションを示す。例えばボールジョイントは車両の前車軸において使用され、この場合ボールジョイントは例えば車軸リンクアーム（Achslenker）とホイールベアリングハウジングとの間に配置されている。車軸リンクアームの運動によって、ボールジョイントは回転させられる。これに対してばねの圧縮（Einfedern）時には、傾倒運動が実施される。
【０００８】
本発明による装置は、ボールジョイントの回転運動と傾倒運動とを検出することができ、この場合センサは有利には無接触式に作動する。本発明の構成では、少なくとも１つの磁石がボールジョイント又はボールピンに配置されている。生ぜしめられた磁界は、磁気光学式効果を用いて可視化される。次いで光学式の検出装置が可視化された磁界を検出し、出発ポジションに対して変化した磁界によって、ボールジョイントの回動もしくは傾倒を検出することができる。
【０００９】
本発明の有利な構成では、２つの永久磁石がボールジョイントの極領域において、互いにある程度の間隔をおいて平行に並んで配置されている。磁石は原則的には如何なる任意の材料から製造されてもよく、かつ任意の特に棒状の形を有することができる。有利には、１ｍｍの直径と２ｍｍの長さとを有するNdFeB-磁石が使用され、一方の磁石はＮ極がジョイントボールの表面に向けられ、他方の磁石はＳ極がジョイントボールの表面に向けられている。ジョイントボールの極領域は平らに面取りされて形成されることができる。このように構成されていると、ボール外側面と球面シェルとの間に空間が生ぜしめられ、この空間は、グリス室もしくはグリス溜めとして使用することができる。この空間が潤滑グリスによって満たされている間は、グリスによってボールジョイントを絶えず自動的に潤滑することが保証される。ボールジョイントのこのような構成において、磁気光学式のプレートの形をした表示装置を、グリス室の直ぐ下に配置することが可能であり、又はこのような表示装置自体によってグリス室の壁領域を形成することが可能である。後者の場合には、磁石によって生ぜしめられた磁界が、軸受シェルの材料によって不都合な影響を受けたり、偏向されたりしないので、有利である。これによって少なくとも１つの磁石による磁界を正確に表示もしくは検知することができる。表示装置はボールジョイントハウジングに設けることも又はボールジョイントハウジングと一体的に形成することも可能である。
【００１０】
表示装置は有利には磁気光学式のセンサ層を有しており、このセンサ層は既に述べたように、本発明によれば磁石の直ぐ近くに、特に数ｍｍもしくは十分の数ｍｍだけ磁石に対して間隔をおいて配置されている。表示装置は例えば軸受シェルの製造プロセス中に、該軸受シェルに一体に組み込まれる、もしくは内部に包埋成形されることができる。表示装置はしかしながらまた、別体のモジュールとして、光学式の検出及び／又は評価装置と一緒に、軸受シェルに固定もしくは取り付けられることも可能である。
【００１１】
ボールジョイントの回転及び傾倒を良好に検知できるようにするために、磁石は互いにあまりに接近して配置されるべきではない。この場合間隔は特に、磁気光学式のセンサ層の厚さ及び距離にも関連している。
【００１２】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明による回転角検出兼傾倒角検出装置を備えたボールジョイントを示す断面図であり、
図１ａは、ボールジョイントにおける永久磁石の別の配置形式を示す図であり、
図２は、ボールジョイントが出発位置を占めている場合における、図１に示された２つの永久磁石の、磁気光学式効果を用いて表示される磁界を示す図であり、
図３は、ボールジョイントがＸ軸方向に傾倒した場合に示される磁界を示す図であり、
図４は、ボールジョイントがＹ軸方向に傾倒した場合に示される磁界を示す図であり、
図５は、ボールジョイントがＹ軸方向に傾倒しかつ同時に回転した場合に示される磁界を示す図である。
【００１４】
図１には、本発明による回転角及び傾倒角又はそのいずれか一方を検出するための回転角検出兼傾倒角検出装置（Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung）を備えたボールジョイントが横断面図で示されている。ボールジョイントはボールピン１から成っていて、このボールピン１の、ピン１ｂに一体成形されたジョイントボール１ａは、軸受シェル（球面シェル）３内に受容されている。ジョイントボール１ａの極面１ｃは平らに面取りされているので、ジョイントボール１ａと軸受シェル３との間には空間３ａが存在しており、この空間３ａはグリス室もしくはグリス溜めとして使用されることができる。ジョイントボール１ａには極領域に２つの永久磁石が互いに平行に間隔をおいて配置されており、一方の永久磁石２のＮ極Ｎと他方の永久磁石２のＳ極Ｓとは、極面１ｃに向かって方向付けられている。永久磁石２は切欠きに挿入されていて、例えば接着剤を用いてジョイントボール１ａと堅固に結合されている。しかしながらまた、永久磁石２はボールピン１の製造プロセス中に一緒に一体に注型もしくは包埋成形することも可能である。
【００１５】
極面の下つまり永久磁石２の直ぐ近くには、磁気光学式のプレートの形の表示装置４が配置されている。図１に示された実施例でプレート４と永久磁石２との間に、グリス室３ａと軸受シェル３の材料とが位置している。択一的な実施態様では、プレート４がグリス室３ａの壁領域を形成していて、プレート４と永久磁石２との間に軸受シェル材料が存在しないような構成も可能である。磁気光学的なファラデー効果（Faraday-Effekt）に基づく相応な磁気光学式のプレートは、文献によって開示されているので、ここでは説明を省く。このような光学式のプレートはその光学特性を磁場の強さに応じて変化させる。永久磁石２は磁界を生ぜしめるので、磁場の強さは光学式のプレートを介して変化する。プレートが照らされると、電磁波は磁界に関連して種々様々に反射され、その結果反射された光線路において画像を検出することができ、この画像から、光学式のプレートの領域における磁界を推測することができ、これによってボールジョイントの相対的な位置を計算することが可能である。光学式のプレートを照明するためには照明装置５が働き、この照明装置５の光線Ｓは、レンズ６と偏光子７とを通って角度を成して光学式のプレート４に衝突し、この光学式のプレート４から光線Ｓは相応につまり、その都度反射点に存在する磁界に関連して、多く又は少なく良好に反射され、検光子（Analysator）８と呼ばれる偏光フィルタとレンズ９とを通して画像検出センサ１０に達する。偏光子７と検光子８とは、互いに４５°の角度だけ回動されて配置されている。検出された画像情報に基づいてボールジョイントの回転もしくは傾倒を評価する評価電子装置は、図１には示されていない。画像検出装置もしくは画像検出センサ１０からデジタル信号に変換された画像情報は、例えば図２〜図５に示されている。
【００１６】
照明装置５は、光線が例えば光導波体を用いて必要な箇所に導かれる発光ダイオード（LEDs）又は他の外部に配置された光源によって形成することができる。画像検出装置は例えば汎用のＣＣＤチップ（ＣＣＤ＝charge coupled device≒ladungsgekoppeltes Bauelement）であってよい。
【００１７】
図１ａには、ジョイントボール１ａ′の極領域における個々の永久磁石２′の択一的な配置形式が示されている。この実施形態では永久磁石２′は、平らに面取りされた極面に対して平行に配置されているので、永久磁石２′のＳ極及びＮ極は、必要な磁場の強さの差を、図示されていない光学式のプレートの領域において生ぜしめる。
【００１８】
図２には、光学式のプレートにおいて磁場の強さの差によって生ぜしめられる検出可能な画像検出装置１１が示されている。ボールジョイントはこの場合０位置を占めており、つまりボールジョイントは回転も傾倒もしていない。一方の永久磁石のＮ極は正のファラデー回転（Faradaydrehung）を引き起こし、これに対してＳ極は負のファラデー回転を生ぜしめている。偏光子７と検光子８とが互いに４５°だけ回転されて配置されていることによって、フォトレスポンスカーブ（Photoresponsekurve）は直線であり、これによって画像情報を検出するセンサ（ＣＣＤセンサ）は磁化の正負符号に応じて多く又は少なく光を検出する。一方の永久磁石のＮ極はこれによって暗い点ＭＤを生ぜしめ、かつＳ極は明るい点ＭＨを生ぜしめる。暗い点ＭＤ及び明るい点ＭＨの出発位置が知られている場合には、図３〜図５に示されているように、両方の点の相対的な移動からボールジョイントの回転及び傾倒が計算される。
【００１９】
図３〜図５には暗い点ＭＤ及び明るい点ＭＨの出発位置が一点鎖線で示されている。出発位置は有利には固定記憶装置（Festwertspeicher）においてキャリブレーションを行った後で記憶される。図３にはＸ軸方向におけるボールジョイントの傾倒が示されている。暗い点ＭＤ′及び明るい点ＭＨ′は両方共に右側に向かって移動しており、つまり移動距離長さｄｘだけシフトしている。このシフトｄｘから、回転角検出兼傾倒角検出装置（Dreh- und Kippdetektierungseinrichtung）及びボールジョイントの公知のジオメトリにおいて傾倒を計算することができる。図４に示されているように、Ｙ軸方向における暗い点ＭＤ′′及び明るい点ＭＨ′′のシフトも同様に行われる。
【００２０】
ボールジョイントが傾倒及び回転させられている場合には、出発位置に対する暗い点ＭＤ′′′及び明るい点ＭＨ′′′の相対的な位置が新たに変化し、相対的な移動距離長さｄｘ′，ｄｘ′′，ｄｙ′，ｄｙ′′によって、回転角α及びＸ軸及びＹ軸方向における傾倒が計算可能である。ボールジョイントの回転角αはこの場合、シフトした点ＭＤ′′′とＭＨ′′′とを結ぶ接続線と破線で示された点との間における角度によって得られる。
【００２１】
もちろん２つよりも多くの永久磁石を使用することも可能である。しかしながらこのような場合に注意すべきことは、永久磁石の間の間隔をあまり小さく選択しないことである。そうすれば、明るい点と暗い点とは画像処理ソフトウエアによってなお十分にシャープに検出することができ、ひいてはボールジョイントの位置に関して正確な結果を計算することができる。
【００２２】
本発明による回転角検出兼傾倒角検出装置は、もちろん他のすべての形式及び構造形態のボールジョイントに対しても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による回転角検出兼傾倒角検出装置を備えたボールジョイントを示す断面図である。
【図１ａ】ボールジョイントにおける永久磁石の別の配置形式を示す図である。
【図２】ボールジョイントが出発位置を占めている場合における、図１に示された２つの永久磁石の、磁気光学式効果を用いて表示される磁界を示す図である。
【図３】ボールジョイントがＸ軸方向に傾倒した場合に示される磁界を示す図である。
【図４】ボールジョイントがＹ軸方向に傾倒した場合に示される磁界を示す図である。
【図５】ボールジョイントがＹ軸方向に傾倒しかつ同時に回転した場合に示される磁界を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  ボールピン、  １ａ，１ａ′  ジョイントボール、  １ｂ  ピン、  １ｃ  極面、  ２，２′  永久磁石、  ３  軸受シェル（球面シェル）、  ３ａ  グリス室もしくは空間、  ４  表示装置（磁気光学式のプレート）、  ５  照明装置、  ６  レンズ、  ７  偏光子、  ８  検光子（偏光フィルタ）、９  レンズ、  １０  画像検出センサ、  １１  画像情報、  Ｓ  光線、  ＭＤ，ＭＤ′，ＭＤ′′，ＭＤ′′′  暗い点、  ＭＨ，ＭＨ′，ＭＨ′′，ＭＨ′′′  明るい点、  ｄｘ，ｄｘ′，ｄｘ′′  Ｘ軸方向における移動距離長さ、  ｄｙ，ｄｙ′，ｄｙ′′  Ｙ軸方向における移動距離長さ、  α  回転角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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