DE10037211A1

DE10037211A1 - Lenkradstellungssensor

Info

Publication number: DE10037211A1
Application number: DE10037211A
Authority: DE
Inventors: Thaddeus Schroeder
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: DE10037211B4; US6400142B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der absoluten Drehstellung eines Lenkrades. Ein kurzer Abschnitt (10) der Lenkwelle (12) ist mit einem Gewinde versehen und steht mit einer Mutter in Schraubeingriff. Die Mutter umfaßt eine Schiebestange (16), die eine magnetische Unregelmäßigkeit (18, 18') trägt. Eine Sensoranordnung (22) umfaßt einen galvanomagnetischen Sensor (30), der in einem feststehenden Kanal (20) montiert ist. Der Kanal führt aufnehmbar eine axiale Bewegung der Schiebestange, wenn die Lenkwelle gedreht wird. Da die Drehung der Lenkwelle in eine axiale Bewegung der Schiebestange umgesetzt wird, und da der galvanomagnetische Sensor einen elektrischen Ausgang aufweist, der die axiale Stellung der magnetischen Unregelmäßigkeit angibt, ist die exakte Drehstellung des Lenkrades aus dem Ausgang des galvanomagnetischen Sensors bekannt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stellungserfassung und insbesondere ein Verfahren zum Erfassen einer Lenkradstellung.

Es ist in der Technik allgemein bekannt, daß die Spannungsmodulation von Hall-Elementen oder die Widerstandsmodulation von Magnetwider ständen bei Stellungs- und Drehzahlsensoren in bezug auf sich bewegen de magnetische Materialien oder Objekte angewandt werden kann (siehe beispielsweise US-Patente 4 835 467, 4 926 122 und 4 939 456). Bei der artigen Anwendungen wird der Magnetwiderstand (MW) mit einem Ma gnetfeld vormagnetisiert und typischerweise mit einer Konstantstrom quelle oder einer Konstantspannungsquelle elektrisch erregt. Ein magneti sches (d. h. ferromagnetisches) Objekt, das sich relativ und in enger Nähe zu dem MW bewegt, wie ein Zahn, erzeugt eine sich verändernde magneti sche Flußdichte durch den MW hindurch, die wiederum den Widerstand des MW verändert. Der MW wird eine höhere magnetische Flußdichte und einen höheren Widerstand aufweisen, wenn ein Zahn benachbart zum MW liegt, als wenn ein Zahn sich fern von dem MW befindet.

Zunehmend ausgefeiltere Zündzeitpunkteinstellungs- und Emissions steuerungen führten zur Nachfrage nach Kurbelwellensensoren, die wäh rend einer Kurbelwellendrehung eine genaue Stellungsinformation liefern können. Es sind verschiedene Kombinationen von Magnetwiderständen und mit einer einzigen oder mit einer doppelten Spur verzahnten oder ge schlitzten Rädern (auch als Codierräder oder Impulsgeberräder bekannt) dazu verwendet worden, diese Information zu erhalten (siehe beispielswei se US-Patente 5 570 016, 5 714 883, 5 731 702 und 5 754 042).

Die Information über die Kurbelwellenstellung ist auf dem rotierenden Im pulsgeberrad in der Form von Zähnen und Schlitzen codiert. Praktisch alle derartige Sensoren sind vom magnetischen Typ, entweder mit variabler Reluktanz oder galvanomagnetisch (zum Beispiel Hall-Generatoren) oder Magnetwiderstände. Galvanomagnetische Sensoren werden aufgrund ihrer Fähigkeit einer größeren Codierungsflexibilität und drehzahlunabhängigen Ausgangssignalen fortschreitend am meisten bevorzugt.

Eine hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit besitzende magnetische Stellungssensoren wenden zwei angepaßte Sensorelemente an, wie Ma gnetwiderstände (MW) oder Hall-Generatoren. Sie sind ein paar Millimeter voneinander beabstandet. Der Hauptzweck einer Verwendung zweier an gepaßter Sensorelemente ist eine Gleichtaktsignalunterdrückung, da die Sensorelemente durch die Temperatur und den Luftspalt gleich beeinflußt werden.

Zusätzlich müssen Steuerungen für eine elektrische Hilfskraftlenkung (EPS) die absolute Stellung des Lenkrades zu jedem Zeitpunkt, einschließ lich im Moment des Einschaltens des Systems kennen. Das Lenkrad kann drei volle Umdrehungen in jede Richtung gedreht werden. Jedoch fordern die Spezifikationen, daß der Sensor selbst eine minimale Tauglichkeit für einige volle Umdrehungen in jeder Richtung aufweist. Gegenwärtige Sen soren sind nicht in der Lage, mehrere Umdrehungen zu erkennen, so daß diese durch Software hochgezählt werden müssen. Der Stellungslern algorithmus erfordert Zeit, um die Lenkradstellung auszurechnen und ist nicht in der Lage, die Stellung beim Einschalten zu erkennen. Es wäre ein einfacher und kostengünstiger, kontaktloser Sensor für die absolute Lenk radstellung selbst mit einer nur mäßigen Auflösung sehr wünschenswert.

Benötigt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen ein einfa cher und kostengünstiger, kontaktloser Sensor selbst mit einer nur mäßi gen Auflösung zu jedem Zeitpunkt eine absolute Lenkradstellung angibt.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die einen einzelnen galvanomagnetischen Doppelelementsensor umfassen, der hierin beispielhaft durch einen einzelnen Doppelelement-Magnetwider standssensor (MW-Sensor) ausgeführt ist, um die absolute Lenkradstel lung aus der Stellung einer magnetischen Unregelmäßigkeit, wie beispiels weise eines ferromagnetischen Zahnes oder eines Schlitzes in einem ferro magnetischen Material, in bezug auf den feststehenden MW-Sensor zu erfassen.

Ein derartiger Lenkradsensor kann aufgebaut werden, indem ein kurzer Abschnitt der Lenkwelle mit einem Gewinde versehen wird, und ein mit einem Gewinde versehener Gegenstand, beispielsweise eine Mutter mit ei nem passenden Gewinde, in Schraubeingriff mit dem Gewindeabschnitt angeordnet wird. Die Mutter wird an einer Drehung mittels einer Schie bestange gehindert, die an der Mutter angebracht und in einem Füh rungskanal der feststehenden MW-Sensoranordnung aufgenommen ist, so daß sich die Mutter axial in bezug auf den feststehenden MW-Sensor be wegen kann. Die Schiebestange ist mit einem ferromagnetischen Zahn versehen, oder die Schiebestange ist selbst ferromagnetisch und weist ei nen Schlitz auf. Die axiale Bewegungsrichtung ist derart, daß sie entlang einer Linie erfolgt, die die Mitten der beiden MW-Elemente des einzelnen Doppelelement-MW-Sensors (d. h. MW-Sensors) verbindet.

Daher wird die Drehung des Lenkrades in eine genau wiederholbare axiale Bewegung der Mutter und infolgedessen eine genau wiederholbare axiale Bewegung des Zahns oder Schlitzes in bezug auf den feststehenden MW- Sensor umgesetzt. Da der Widerstand der MW-Elemente des MW-Sensors auf Änderungen der magnetischen Feldstärke anspricht, steht der Aus gang des MW-Sensors mit der axialen Stellung der Mutter in bezug auf den MW-Sensor in Beziehung.

Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung des Lenkrades die axiale Stellung der Mutter und eine Gewindeganghöhe verändern. Der Rand der Schiebestange weist einen Schlitz oder Zahn auf, der von dem MW erfaßt wird. Der Ausgang des MW-Sensors gibt bei einem geeigneten Schaltkreis entwurf die Stellung des Zahns (oder des Schlitzes) in bezug auf den fest stehenden MW-Sensor und somit Daten an, die zur Nettodrehung des Lenkrades gehören, ob sie im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeiger sinn (GUS) erfolgt. Falls es gewünscht ist, könnte dieser MW-Sensor als ein einziges Meß- oder Erfassungssystem zusammen mit einem Drehmo mentsensor gepackt werden.

Zur Vereinfachung des Einbaus könnte die Mutter auf eine Weise kon struiert sein, die es gestatten würde, daß sie durch eine seitliche Anord nung auf der Lenkwelle ohne die Notwendigkeit eines freien Endes mon tiert werden kann. Ein möglicher Ansatz ist die Verwendung einer Mutter, die aus zwei separaten Hälften besteht. Diese Hälften können leicht mit tels Klammern verbunden werden. Alternativ könnte die Mutter aus einem elastischen Material (z. B. Federstahl oder Polymer) mit einem Ausschnitt hergestellt werden, damit der Gewindeabschnitt der Lenkwelle durch den Ausschnitt hindurch über eine elastische (und zeitweilige) Verformung der Mutter hindurchgedrückt werden kann und dadurch eine Anordnung auf dem Gewindeabschnitt zugelassen wird.

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die einen einzelnen galvanomagnetischen Doppelelementsensor umfassen, der hierin beispielhaft durch einen ein zelnen magnetoresistiven Doppelelementsensor ausgeführt ist, um eine absolute Lenkradstellung aus der Stellung eines Zahns oder eines Schlit zes in bezug auf einen galvanomagnetischen Sensor zu erfassen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen be schrieben, in diesen zeigt:

Fig. 1A eine Teilschnittansicht von der Seite, die ein Beispiel einer, bevorzugten Gebrauchsumgebung eines Doppel-MW- Stellungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Schiebestange einen Zahn enthält,

Fig. 1B eine Querschnittsansicht, gesehen entlang der Linie 1B-1B von Fig. 1A,

Fig. 2A eine Teilschnittansicht von der Seite, die ein Beispiel einer bevorzugten Gebrauchsumgebung eines Doppel-MW- Stellungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Schiebestange einen Schlitz enthält,

Fig. 2B eine Querschnittsansicht, gesehen entlang der Linie 2B-2B von Fig. 2A,

Fig. 3A eine Seitenansicht einer Mutter; wobei die Mutter federnd elastisch ist und einen Ausschnitt aufweist, und die Schie bestange einen Zahn enthält,

Fig. 3B eine Teilschnittansicht, gesehen entlang der Linie 3B-3B von Fig. 3A,

Fig. 4A eine Seitenansicht einer Mutter, wobei die Mutter diametral geteilt ist und die Schiebestange einen Schlitz enthält,

Fig. 4B eine Explosionsansicht der Mutter von Fig. 4A,

Fig. 4C eine Teilschnittansicht, gesehen entlang der Linie 4C-4C von Fig. 4A,

Fig. 5A eine Teilschnittansicht von der Seite eines MW-Sensors ge mäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schiebestange einen Zahn enthält, der in einem nichtmagnetischen Mate rial eingebettet ist,

Fig. 5B eine Teilschnittansicht von der Seite eines MW-Sensors ge mäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schiebestange einen Schlitz enthält,

Fig. 6A eine schematische Ansicht eines Schaltkreises für einen MW-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 6B einen Ausdruck einer Ausgangsspannung des Schaltkreises von Fig. 6A über die Drehstellung eines Lenkrades gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1A zeigt einen Gewindeabschnitt 10 einer Lenkwelle 12 auf dem eine Mutter 14 mit einem passenden Gewinde in Schraubeingriff steht. Die Mutter 14 wird an einer Drehung zusammen mit der Lenkwelle mittels ei ner Schiebestange 16 gehindert, die an der Mutter angebracht ist und führbar von einem Führungskanal 20 aufgenommen ist, so daß diese darin verschiebbar ist. Der Führungskanal 20 ist dadurch feststehend, daß er einen Teil einer MW-Sensoranordnung 22 bildet, die an einer fest stehenden Fläche 26 (des Fahrzeugs) über Befestigungselemente 28 ange bracht ist. Die Schiebestange 16 trägt in dieser Ansicht einen ferroma gnetischen Zahn 18.

Wenn sich die Mutter längs des Gewindeabschnittes 10 schraubt, bewegt sich die Schiebestange 16 durch den Führungskanal 20 führbar in einer axialen Richtung 24 in bezug auf die MW-Sensoranordnung. Die MW-Sen soranordnung 22 umfaßt beispielhaft einen einzelnen Doppelelement-MW- Sensor 30, der aus MW1 und MW2 besteht.

Wenn ein Fahrer das Lenkrad dreht, wird dementsprechend die Drehung des Lenkrades 12 in eine axiale Bewegung 24 mit hoher Wiederholgenau igkeit der Mutter 14, und folglich des Zahns 18, in bezug auf den MW- Sensor 30 umgesetzt. Da die Spannung, die von dem MW-Sensor 30 aus gegeben wird, auf eine magnetische Veränderung empfindlich ist, steht die axiale Stellung der Mutter in bezug auf den MW-Sensor mit der Größe der von dem MW-Sensor ausgegebenen Spannung in Beziehung. Tatsächlich weist die Spannung für jede axiale Stellung des Zahns einen einzigartigen Wert auf, ob sie von einer Drehung der Lenkwelle 12 (d. h. des Lenkrades) im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeigersinn (GUS) hervorgerufen wird.

Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung der Lenkwelle 12 die axiale Stellung 24 des Zahns 18 um eine Gewindeganghöhe 32 verändern. Die axiale Bewegung 24 des Zahns 18 wird von dem MW-Sensor 30 erfaßt, dessen Spannungsausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stellung des Zahns in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle 12 bekannt ist.

Fig. 1B zeigt eine Ansicht des Querschnitts von Fig. 1A, die den Führungs kanal 20 zeigt, der die Schiebestange 16 dazu zwingt, sich in der axialen Richtung 24 zu bewegen.

Fig. 2A zeigt einen Gewindeabschnitt 10' einer Lenkwelle 12', auf dem eine Mutter 14' mit einem passenden Gewinde in Schraubeingriff steht. Die Mutter 14' wird an einer Drehung mittels einer an der Mutter angebrach ten Schiebestange 16' gehindert, die nun ferromagnetisch ist und mit ei nem Schlitz 18' versehen ist. Die Schiebestange 16' wird innerhalb eines Führungskanals 20', der einen Teil der feststehenden MW-Sensoranord- nung 22' bildet, derart begrenzt, daß die Mutter so geführt ist, daß sie nur in einer axialen Richtung 24' in bezug auf die MW-Sensoranordnung be wegbar ist. Die MW-Sensoranordnung 22' ist unbeweglich an einer fest stehenden Fläche 26' (relativ zu dem Fahrzeug) mit Befestigungselementen 28' montiert und umfaßt einen einzelnen Doppelelement-MW-Sensor 30', der aus MW1' und MW2' besteht. Die Drehung der Lenkwelle 12' wird in eine aale Bewegung 24' mit hoher Wiederholgenauigkeit der Mutter 14', und folglich des Schlitzes 18', in bezug auf den MW-Sensor 30' umgesetzt. Da die von dem MW-Sensor 30' ausgegebene Spannung auf eine magneti sche Veränderung empfindlich ist, steht die axiale Stellung der Mutter in bezug auf den MW-Sensor mit der Größe der von dem MW-Sensor ausge gebenen Spannung in Beziehung. Tatsächlich weist die Spannung für jede axiale Stellung des Zahns einen einzigartigen Wert auf, ob sie durch eine Drehung der Lenkwelle 12' (d. h., des Lenkrades) im Uhrzeigersinn (US) oder im Gegenuhrzeigersinn (GUS) hervorgerufen wird.

Beispielsweise könnte eine volle Umdrehung der Lenkwelle 12' die axiale Stellung 24' des Schlitzes 18' um eine Gewindeganghöhe 32' verändern. Die axiale Bewegung 24' des Schlitzes 18' wird von dem MW-Sensor 30' erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schaltkreisentwurf die Stel lung des Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle 12' be kannt ist.

Fig. 2B zeigt eine Ansicht des Querschnitts von Fig. 2A, die den Füh rungskanal 20' zeigt, der die Schiebestange 16' dazu zwingt, sich in der axialen Richtung 24' zu bewegen.

Während die obigen Beispiele einer Mutter 14, 14' es mit sich bringen, daß die Mutter auf den Gewindeabschnitt 10, 10' über ein freies Ende der Lenkwelle geschraubt werden muß, ist es erwünscht, die Mutter derart zu modifizieren, daß sie seitlich auf den Gewindeabschnitt ohne Notwendig keit eines freien Endes der Lenkwelle gesetzt werden kann, wobei Beispiele hiervon in den Fig. 3A bis 4C gezeigt sind.

Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Mutter 14" mit einem Ausschnitt 15. Die Mutter 14" besteht aus einem nachgiebigen Material, beispielsweise Fe derstahl oder ein Polymer, wobei der Ausschnitt 15 (in Fig. 3B gezeigt) kleiner bemessen ist als der Querschnitt des Gewindeabschnitts 10" einer Lenkwelle 12", so daß die Lenkradwelle durch diesen hindurch über eine nachgiebige und zeitweilige Verformung der Mutter gedrückt werden muß (siehe gestrichelte Linien in Fig. 3B). Wenn er derart gedrückt wird, ge langt der Gewindeabschnitt 10" in Schraubeingriff mit dem Gewinde der Mutter 14". Während die Schiebestange 16" mit einem Zahn 18 gezeigt ist, kann alternativ ein Schlitz verwendet werden (wobei in diesem Fall die Schiebestange ferromagnetisch ist). Diese Gestalt der Mutter gestattet es, daß die Mutter 14" nach dem Einbau der Lenkradwelle an den Gewinde abschnitt 10" der Lenkradwelle 12" montiert werden kann.

Die Fig. 4A bis 4C zeigen Ansichten einer Mutter 14''', die diametral in ein erstes Mutternbauteil 14a und ein zweites Mutternbauteil 14b geteilt ist, die jeweils ein Paar erste bzw. zweite Flansche 15a, 15b aufweisen. Das erste Mutternbauteil 14a umfaßt eine Schiebestange 16''', die ferromagne tisch ist und einen Schlitz 18' (wie gezeigt) enthält, oder alternativ nicht ferromagnetisch ist und einen Zahn enthält. Diese Gestalt der Mutter ge stattet es, daß die Mutter 14''' auf den Gewindeabschnitt 10 einer Lenk radwelle 12 nach Einbau der Lenkradwelle montiert werden kann. U-för mige Klammern 17 schnappen auf die ersten und zweiten Flansche 15a, 15b des ersten und des zweiten Mutternbauteils 14a, 14b, und halten die se über Druck zusammen, so daß die Mutter 14''' in Schraubeingriff mit einem Gewindeabschnitt 10''' einer Lenkradwelle 12''' gehalten wird. Die Schiebestange 16''' ist derart geführt, daß nur eine axiale Bewegung in ei nem Führungskanal einer feststehenden MW-Sensoranordnung zugelas sen wird, wie es zuvor beschrieben wurde.

Es sind andere gleichermaßen bevorzugte konstruktive Ausgestaltungen zum seitlichen Anordnen der Mutter auf dem Gewindeabschnitt möglich. Beispielsweise verbindet bei einer Modifikation der Ausgestaltung der Fig. 4A bis 4C ein Scharnier das erste und das zweite Mutternbauteil, und ein entgegengesetzt angeordneter Flansch jedes Mutternbauteils wird durch Klammern gehalten. Bei einer weiteren Variante ist die Schiebestange mit zumindest einem der Flansche integriert.

Fig. 5A zeigt die Vormagnetisierung und die elektrischen Anschlüsse eines einzelnen Doppelelement-MW-Sensors 30", analog zu dem einzelnen Dop pelelement-MW-Sensor 30 von Fig. 1A oder zu dem einzelnen Doppelele ment-MW-Sensor 30' von Fig. 2A gemäß der vorliegenden Erfindung, wo bei die Schiebestange 116 einer Mutter (nicht gezeigt) in Schraubeingriff mit einem Gewindeabschnitt einer Lenkradwelle (nicht gezeigt) steht, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Schiebestange 116 ist nicht magnetisch und enthält einen Zahn 18, der dazu gezwungen wird, sich in der axialen Richtung 24''' der Lenkradwelle zu bewegen.

Der einzelne Doppelelement-MW-Sensor 30" wendet zwei Magnetwider standselemente MW1" und MW2" an, die voneinander mit einem Abstand L beabstandet und durch einen Permanentmagneten 42 vormagnetisiert sind, wobei der magnetische Fluß 44 und 46, der von diesem ausgeht, durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der magnetische Fluß 44 und 46 verläuft von dem Permanentmagneten 42 durch die Magnetwiderstände MW1" und MW2" hindurch und durch die Luftspalten 48 und 50 hin durch zur Schiebestange 116. Energie wird MW1" und MW2" über eine Spannungsquelle VEIN an Anschluß 52 von MW2" zugeführt. Anschluß 54, der MW1" und MW2" verbindet, ist ein erster Anschluß für den Ausgang (der zweite Anschluß für den Ausgang wird später beschrieben). Anschluß 56 von MW1''' ist mit Masse verbunden.

Wie zuvor erwähnt, wird die axiale Bewegung 24''' des Zahns 18 von dem MW-Sensor 30" erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schaltkreis entwurf die Stellung des Zahns 18 in bezug auf den MW-Sensor (der spä ter beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenk welle (die analog der Lenkwelle von Fig. 1A ist) bekannt ist.

Fig. 5B zeigt die Vormagnetisierung und die elektrischen Anschlüsse eines einzelnen Doppelelement-MW-Sensors 30''' analog zu dem einzelnen Dop pelelement-MW-Sensor 30" von Fig. 5A, wobei die Schiebestange 216 einer Mutter selbst ferromagnetisch ist und einen Schlitz 18' enthält und wobei die Schiebestange dazu gezwungen wird, sich in der axialen Richtung 24"" einer Lenkradwelle zu bewegen, analog zur Darstellung in Fig. 2A.

Der einzelne Doppelelement-MW-Sensor 30''' wendet zwei Magnetwider standselemente MW1''' und MW2''' an, die voneinander mit einem Abstand L' beabstandet und durch einen Permanentmagneten 42' vormagnetisiert werden, wobei der magnetische Fluß 44' und 46', der von diesem ausgeht, durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der magnetische Fluß 44' und 46' verläuft von dem Permanentmagneten 42' durch die Magnetwiderstän de MW1''' und MW2''' hindurch und durch die Luftspalten 48' und 50' hin durch zur Schiebestange 216. Energie wird MW1''' und MW2''' über Span nungsquelle V'_EIN an Anschluß 52' von MW2''' zugeführt. Anschluß 54', der MW1''' und MW2''' verbindet, ist ein erster Anschluß für den Ausgang (der zweite Anschluß für den Ausgang wird später beschrieben). Anschluß 56' von MW1''' ist mit Masse verbunden.

Wie zuvor erwähnt, wird die axiale Bewegung 24"" des Schlitzes 18' von dem Sensor 30''' erfaßt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Schalt kreisentwurf, die Stellung des Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor (der später beschrieben wird) angibt, wodurch die absolute Drehstellung der Lenkwelle analog zur Lenkwelle 12' von Fig. 2A bekannt ist.

Es ist in der Technik allgemein bekannt, daß der Widerstand eines MW- Elements moduliert werden kann, indem eine magnetische Flußdichte durch das MW-Element hindurch verändert wird, die wiederum den Wi derstand des MW-Elements (R_MW) verändert, wodurch eine höhere magne tische Flußdichte durch das MW-Element hindurch den Widerstand des MW-Elements vergrößert, und eine geringere magnetische Flußdichte durch das MW-Element hindurch den Widerstand des MW-Elements ver ringert. Die Abschnitte des MW-Elements unter einem ferromagnetischen Material sind einem beträchtlich stärkeren Magnetfeld ausgesetzt als die Abschnitte des MW-Elements, die sich nicht unter dem ferromagnetischen Material befinden (d. h. Schlitze). Bei einem einzelnen Doppelelement-MW- Sensor sind die Flächen der MW-Elemente im wesentlichen gleich. Je mehr Fläche eines MW-Elements von einem ferromagnetischen Material überdeckt ist, desto größer wird somit der Widerstand dieses MW-Ele ments, oder je größer die Fläche eines MW-Elements ist, die von einem Schlitz überdeckt wird, desto geringer ist der Widerstand dieses MW-Ele ments.

Wenn die Mittellinie eines ferromagnetischen Materials, oder eines Schlit zes darin, mit der Mittellinie des MW-Sensors zusammenfällt, der auf hal bem Wege zwischen den MW-Elementen ausgerichtet ist, sind die Flächen der beiden MW-Elemente, die von dem ferromagnetischen Material oder dem Schlitz überdeckt sind, gleich, und somit ist der Widerstand des ei nen MW-Elements (R_MW1) gleich dem Widerstand des anderen MW-Ele ments (R_MW2), da die beiden MW-Elemente angepaßt sind. Sobald das fer romagnetische Material oder der Schlitz entlang einer Linie bewegt wird, die die Mitten der beiden MW-Elemente verbindet (d. h., in der axialen Richtung im Kontext mit der vorliegenden Erfindung), fällt dann die Mit tellinie des ferromagnetischen Materials oder Schlitzes nicht mit der Mit tellinie des MW-Sensors zusammen. Die Fläche des einen MW-Elements, die von dem ferromagnetischen Material oder Schlitz überdeckt ist, ist dann kleiner als die Fläche des anderen MW-Elements, die von dem fer romagnetischen Material oder Schlitz überdeckt ist, wodurch bewirkt wird, daß der Widerstand des einen MW-Elements zunimmt, während der Widerstand des anderen MW-Elements abnimmt. Da der Widerstand jedes MW-Elements proportional zur Fläche ist, die von dem ferromagnetischen Material oder Schlitz darin überdeckt wird, und die überdeckte Fläche proportional zur Stellung des ferromagnetischen Materials oder Schlitzes ist, kann die Ausgangsspannung eines geeignet entworfenen Schaltkreises derart eingerichtet werden, daß sie ebenso direkt proportional zur Stellung eines ferromagnetischen Zahns oder Schlitzes in einem ferromagnetischen Widerstand ist. Ein geeignet entworfener elektrischer Schaltkreis kann diese Widerstandsänderung umfassen und eine Ausgangsspannung er zeugen, die eine lineare Funktion der Stellung des Zahns oder Schlitzes ist.

Ein derartiger Schaltkreis, der die elektrische Arbeitsweise der Fig. 5A oder 5B veranschaulicht, ist in Fig. 6A gezeigt. Anschluß 52" von MW2"" ist mit dem positiven Anschluß einer Konstantspannungsquelle V'''_EIN ver bunden, wohingegen Anschluß 56" von MW1"" mit Masse verbunden ist. Die Widerstände R1 und R2 weisen vorzugsweise, aber nicht notwendi gerweise, den gleichen Wert auf. V_AUS wird in bezug auf die Anschlüsse 54" und 58 gemessen, wobei Anschluß 58 als auf dem Bezugspotential liegend angesehen wird. Anschluß 58 ist auch der Anschluß eines variablen Wi derstandes RP, durch den der Widerstand zwischen Anschluß 58 und Masse oder zwischen Anschluß 58 und V'''_EIN verändert werden kann. Der Widerstand zwischen Anschluß 58 und Masse oder zwischen Anschluß 58 und V'''_EIN ist derart eingestellt, daß V_AUS bei irgendeiner anfänglichen Drehstellung des Lenkrades, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wenn das Lenkrad sich in einer solchen Drehstellung befindet, daß die Räder parallel zum Fahrzeug stehen (d. h., die geradeaus gerichtete Stel lung), Null beträgt.

Mit der vorstehend erwähnten Anfangsbedingung kann V_AUS ausgedrückt werden in der Form des Stromes I_MW (der durch MW1"" und MW2"" fließt) und des Widerstandes MW1"" (R_MW1'''') als: V_AUS = (I_MW)(R_MW1'''' - R_MW0), wobei I_MW = V'''_EIN/(R_MW2'''' + R_MW1'''') und R_MW0 der Wert von R_MW1'''' ist, wenn V_AUS Null beträgt, wobei R_MW0 = R_MW2'''' × (R₁/R₂). Die Bewegung des Zahns 18 oder des Schlitzes 18' in der axialen Richtung erhöht den Widerstand des einen MW und verringert den Widerstand des anderen MW. Da jedoch die MW angepaßt sind, ist die Größe der Zunahme des Widerstandes des ei nen MW gleich der Größe der Abnahme des Widerstandes des anderen MW, wodurch bewirkt wird, daß der Gesamtwiderstand R_MW2'''' + R_MW1'''' re lativ konstant bleibt, wodurch der Strom I_MW ebenfalls konstant bleibt.

Dadurch ist die Ausgangsspannung V_AUS direkt proportional zur Differenz des Widerstandes zwischen R_MW1'''' und R_MW0, und deshalb ist die Ände rung in V_AUS direkt proportional zur Änderung des Widerstandes von MW1"". Da der Widerstand jedes MW proportional zur Fläche ist, die von dem Zahn 18 oder Schlitz 18' überdeckt wird, und die überdeckte Fläche proportional zur Stellung des Zahns oder des Schlitzes relativ zum MW- Sensor ist, ist ebenso die Ausgangsspannung V_AUS direkt proportional zur Stellung des Zahns ödet des Schlitzes.

Fig. 6B zeigt eine Kurve P einer Ausgangsspannung (V_AUS) der Schaltung von Fig. 6A (Y-Achse) über die Drehstellung eines Lenkrades in Inkre menten von ganzen Umdrehungen (X-Achse) für eine Drehung sowohl im Uhrzeigersinn (US) als auch im Gegenuhrzeigersinn (GUS). Nach Fig. 6B entspricht jeder Wert von V_AUS entlang der Kurve P einer einzigen Dreh stellung des Lenkrades, und deshalb erfaßt die vorliegende Erfindung die absolute Drehstellung des Lenkrades aus der Stellung eines Zahns oder. Schlitzes in bezug auf den MW-Sensor. In dieser Kurve P ist der MW- Sensor in der Lage, einen Drehbereich zu erfassen, der die mechanische Grenze der Lenkwelle übersteigt. Wenn beispielsweise drei Umdrehungen der Lenkwelle die mechanische Grenze (P₁) sind, besitzt der MW-Sensor die Fähigkeit, vier Umdrehungen (P₂) zu erfassen.

Es ist einzusehen, daß, während ein Magnetwiderstand (MW) bei der vor stehenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft ausgeführt wurde, andere analoge Sensorelemente, wie Hall-Elemente, verwendet werden können, wobei die Klasse derartiger Sensoren umfassend als galvanomagnetische Elemente bezeichnet wird. Es ist ferner einzusehen, daß obwohl eine Mutter als mit dem Gewindeabschnitt einer Lenkwelle in Schraubeingriff stehend be schrieben worden ist, jeder Gegenstand, der mit einem Gewindeabschnitt verschraubt ist und in der Lage ist, eine axiale Bewegungskomponente in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle zu liefern, anstelle der Mutter eingesetzt werden kann.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Erfassen der absoluten Drehstellung eines Lenkrades. Ein kur zer Abschnitt 10 der Lenkwelle 12 ist mit einem Gewinde versehen und steht mit einer Mutter in Schraubeingriff. Die Mutter umfaßt eine Schie bestange 16, die eine magnetische Unregelmäßigkeit 18, 18' trägt. Eine Sensoranordnung 22 umfaßt einen galvanomagnetischen Sensor 30, der in einem feststehenden Kanal 20 montiert ist. Der Kanal führt aufnehm bar eine axiale Bewegung der Schiebestange, wenn die Lenkwelle gedreht wird. Da die Drehung der Lenkwelle in eine axiale Bewegung der Schie bestange umgesetzt wird, und da der galvanomagnetische Sensor einen elektrischen Ausgang aufweist, der die axiale Stellung der magnetischen Unregelmäßigkeit angibt, ist die exakte Drehstellung des Lenkrades aus dem Ausgang des galvanomagnetischen Sensors bekannt.

Claims

1. Lenkradstellungssensor mit:
einer Lenkwelle (12), die einen Gewindeabschnitt (10) aufweist, wobei die Lenkwelle in bezug auf einen feststehenden Bezugsrahmen (26) drehbar ist,
einem Gegenstand (14), der in Schraubeingriff mit dem Gewinde abschnitt steht, wobei der Gegenstand in Ansprechen auf eine Dre hung der Lenkwelle eine axiale Bewegungskomponente aufweist, wo bei die Lenkwelle einen vorbestimmten Bereich an Drehstellungen aufweist, wobei der vorbestimmte Bereich an Drehstellungen einem Bereich an axialen Stellungen des Gegenstandes entspricht, und
einem Sensormittel (30), das teilweise mit dem Gegenstand be wegbar und teilweise in bezug auf den feststehenden Bezugsrahmen feststehend ist, um ein elektrisches Signal (V_AUS) zu liefern, das die Drehstellung der Lenkwelle angibt.

2. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel umfaßt:
einen galvanomagnetischen Sensor (30), der in bezug auf den feststehenden Bezugsrahmen (26) ortsfest angeordnet ist, und
eine magnetische Unregelmäßigkeit (18, 18'), die mit dem Gegen stand (14) verbunden ist,
wobei der galvanomagnetische Sensor das elektrische Signal (V_AUS) in Ansprechen auf die magnetische Unregelmäßigkeit liefert, die sich in Relation zu dem galvanomagnetischen Sensor aufgrund der axialen Bewegungskomponente des Gegenstandes bewegt.

3. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine Mutter (14) ist, die mit dem Gewindeabschnitt (10) in Schraubeingriff steht.

4. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Mittel, um die Mutter (14") auf dem Gewindeabschnitt (10) durch seitliche Anordnung der Mutter auf der Lenkwelle (12) in Schraubein griff zu bringen.

5. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagnetischen Zahn (18) umfaßt.

6. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen Schlitz (18') um faßt, der in einem mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagneti schen Material ausgebildet ist.

7. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (30) einen Doppelelement-Magnet widerstandssensor (MW1, MW2) umfaßt.

8. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Mittel, um die Mutter (14") auf dem Gewindeabschnitt (10) durch seitliche Anordnung der Mutter auf der Lenkwelle (12) in Schraubein griff zu bringen.

9. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagnetischen Zahn (18) umfaßt.

10. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen Schlitz (18') um faßt, der in einem mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagneti schen Material ausgebildet ist.

11. Lenkradstellungssensor mit:
einem Befestigungselement (26),
einer Lenkwelle (12), die einen Gewindeabschnitt aufweist, wobei die Lenkwelle in bezug auf ein Befestigungselement drehbar ist,
einer Mutter (14), die mit dem Gewindeabschnitt in Schraubein griff steht, wobei die Mutter in Ansprechen auf eine Drehung der Lenkwelle axial bewegbar ist, wobei die Lenkwelle einen vorbestimm ten Bereich an Drehstellungen aufweist, wobei der vorbestimmte Be reich an Drehstellungen einem Bereich an axialen Stellungen der Mutter entspricht,
einer Schiebestange (16), die mit der Mutter verbunden ist, einer magnetischen Unregelmäßigkeit (18, 18'), die an der Schie bestange angeordnet ist,
einem Kanalmittel (20), das mit dem Befestigungselement ver bunden ist, um die Schiebestange derart zu führen, daß die Schie bestange gezwungen ist, sich axial zu bewegen, wenn sich die Lenk welle relativ zur Mutter dreht, und
einem galvanomagnetischen Sensormittel (30), das mit dem Befe stigungselement verbunden ist, um ein elektrisches Signal (V_AUS), das die axiale Stellung der Mutter angibt, in Ansprechen auf eine axiale Bewegung der Schiebestange zu liefern.

12. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (30) einen Doppelelement-Magnet widerstandssensor (MW1, MW2) umfaßt.

13. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein Mittel, um die Mutter (14") auf dem Gewindeabschnitt (10) durch seitliche Anordnung der Mutter auf der Lenkwelle (12) in Schraubein griff zu bringen.

14. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagnetischen Zahn (18) umfaßt.

15. Lenkradstellungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Unregelmäßigkeit zumindest einen Schlitz (18') um faßt, der in einem mit der Mutter (14) verbundenen, ferromagneti schen Material ausgebildet ist.

16. Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung eines Lenkrades mit den Schritten, daß:
eine Drehbewegung einer Lenkwelle (12) in eine axiale Bewe gungskomponente eines Gegenstandes (14) umgesetzt wird,
die axiale Bewegungskomponente erfaßt wird (30),
ein Ausgangssignal (V_AUS) erzeugt wird, das die axiale Stellung des Gegenstandes angibt, und
das Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Kurve (P) des Aus gangssignals in Übereinstimmung gebracht wird, um dadurch die Drehstellung der Lenkwelle exakt zu kennen.